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Wärmehaushalt im E-Fahrzeug: ein Kreis, viele Verbraucher

Batterie, Motor und Innenraum wollen verschiedene Temperaturen. Sobald sie sich einen Kreis teilen, wird die Auslegung zum Kompromiss statt zur Optimierung.

In einem Verbrennerfahrzeug ist Abwärme reichlich vorhanden und die Innenraumheizung umsonst. Im Elektrofahrzeug ist sie das nicht: Weil der Wirkungsgrad hoch ist, gibt es wenig Abwärme, und die Innenraumheizung geht unmittelbar von der Reichweite ab.

Damit wird das Wärmemanagement vom Komfortthema zum Reichweitenthema.

Drei Verbraucher, drei verschiedene Ziele

Die Batterie. Sie will ein schmales Temperaturband — zu kalt sinken Kapazität und Ladungsannahme, zu heiß beschleunigt die Alterung. Auch die Spreizung zwischen den Zellen muss klein sein. Siehe die Notiz zur Batteriethermik.

Leistungselektronik und Motor. Sie vertragen höhere Temperaturen und können in einem anderen Kreis laufen als die Batterie.

Der Innenraum. Der Komfort der Nutzer; die Heizung ist der größte Posten.

Warum sich Wärmepumpen durchgesetzt haben

Ein Widerstandsheizer liefert je Watt Strom ein Watt Wärme. Eine Wärmepumpe entzieht der Außenluft Wärme und liefert für denselben Strom ein Mehrfaches davon, was den Reichweitenverlust im Winter deutlich mindert.

Der Preis ist Komplexität: Je nach Bedingungen muss derselbe Kreis die Batterie heizen, sie kühlen, die Abwärme des Motors in den Innenraum bringen oder die Batterie auf das Schnellladen vorkonditionieren. Der Kreis bedeutet nun mehrere Ventile und mehrere Betriebsarten.

Aufgabe der Analyse: die Bilanz über einen Zyklus

Ein einzelner Betriebspunkt ist hier bedeutungslos. Die kritischen Fragen werden über einen Zyklus gestellt:

  • Wie viel Energie und Zeit kostet es bei Kälte, die Batterie vor dem Schnellladen vorzukonditionieren?
  • Wenn Motor und Batterie an einer Steigung beide Kühlung verlangen, reicht der Kreis?
  • Wenn Innenraumheizung und Batteriekühlung zusammenfallen, was hat Vorrang?

Das sind instationäre, konjugierte Systemanalysen; die CFD auf Bauteilebene speist dieses Systemmodell — Wärmeübertragerkennwerte, Widerstand der Kühlplatte, Aufstellung der Außeneinheit. Siehe die Notiz zur Wärmepumpen-Außeneinheit.

Referenzen

  1. Bernardi, D., Pawlikowski, E. & Newman, J. (1985). A general energy balance for battery systems. Journal of the Electrochemical Society, 132(1), 5–12. DOI: 10.1149/1.2113792
  2. Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605

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