Reichweiten-Booster Wärmepumpe: Effizientes Thermomanagement
Wärmepumpe im E-Auto: Reichweitenretter statt Stromfresser! Sie heizt effizienter als PTC-Heizer und optimiert dabei auch die Batterietemperatur.
Die Wärmepumpe hat sich in den letzten Jahren zu einem zentralen Baustein im Thermomanagement moderner Elektrofahrzeuge entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennern, die überschüssige Abwärme des Motors zur Beheizung des Innenraums nutzen, müssen Elektroautos die benötigte Energie direkt aus der Hochvoltbatterie beziehen.
Konventionelle elektrische Widerstandsheizer, oft als PTC-Heizer bezeichnet, wandeln hierbei Batteriestrom in Wärme um. Dies führt jedoch zu einem signifikanten Energieverbrauch, was die Reichweite, insbesondere bei niedrigen Aussentemperaturen, drastisch reduzieren kann. Um diesem Reichweitenverlust effektiv entgegenzuwirken, setzen Fahrzeughersteller zunehmend auf das bewährte Prinzip der Wärmepumpe.
Dieses System ermöglicht es, Wärme äusserst effizient in den Fahrgastraum zu transportieren, anstatt sie lediglich zu erzeugen.
Der thermodynamische Kältekreislauf
Die Funktionsweise der Wärmepumpe basiert auf demselben thermodynamischen Kältekreislauf, der auch in Kühlschränken oder stationären Wärmepumpen zum Einsatz kommt, wobei der Prozess je nach Bedarf umkehrbar ist. Das System besteht im Wesentlichen aus vier Hauptkomponenten: dem Verdampfer, dem Kompressor (oder Verdichter), dem Verflüssiger (oder Kondensator) und einem Expansionsventil.
Der Kreislauf beginnt damit, dass ein flüssiges Kältemittel unter niedrigem Druck und niedriger Temperatur in den Verdampfer geleitet wird. Dort nimmt es Umgebungswärme (z.B. aus der Aussenluft, der Batterieabwärme oder dem Antriebsstrang) auf und verdampft.
Der nun gasförmige Kältemitteldampf wird anschliessend in den elektrisch betriebenen Kompressor gesaugt, der den Druck und damit die Temperatur des Dampfes drastisch erhöht.
Effizienz und sekundäre Nutzung
Dieser komprimierte, heisse Kältemitteldampf gelangt in den Verflüssiger, wo er seine Wärme über einen Wärmetauscher an den Heizkreislauf des Fahrzeugs abgibt und dadurch kondensiert, also wieder verflüssigt wird. Zuletzt durchläuft das Kältemittel das Expansionsventil, das den Druck stark reduziert, sodass der Kreislauf von Neuem beginnen kann.
Das Besondere an der Wärmepumpe ist ihr hoher Wirkungsgrad, der als Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) ausgedrückt wird. Im Idealfall kann eine Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde (kWh) elektrischer Energie, die sie zum Betrieb des Kompressors benötigt, das Zwei- bis Dreifache an Wärmeenergie (2–3 kWh) in den Innenraum pumpen.
Dies ist wesentlich effizienter als ein PTC-Heizer, der maximal eine 1:1-Umwandlung erreicht. Neben dem Heizen im Winter kann die Wärmepumpe den Prozess umkehren, um im Sommer den Innenraum zu kühlen, indem sie dem Innenraum Wärme entzieht und nach aussen abgibt.
Thermomanagement
Ein intelligentes Thermomanagementsystem kann die Wärmepumpe zudem nutzen, um die Temperatur der Traktionsbatterie auf dem optimalen Betriebsniveau zu halten. Dies ist sowohl für die Lebensdauer der Batterie als auch für die maximale Ladeleistung an Schnellladesäulen von entscheidender Bedeutung, da die Zellen weder zu kalt noch zu heiss sein dürfen.
Obwohl Wärmepumpen bei extrem tiefen Temperaturen an ihre Effizienzgrenzen stossen und dann oft ein PTC-Zusatzheizer einspringen muss, liefern sie im normalen Temperaturbereich einen entscheidenden Beitrag zur Optimierung der Reichweite.
