Mehr Reichweite durch PTC

Der Autor: Jürgen Goroncy, freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion

„Allein die Eberspächer Catem GmbH & Co. KG hat bisher mehr als 40 Millionen PTC-Zuheizer produziert und ist damit klarer Marktführer im Segment“, so Dr. Klaus Beetz, Geschäftsführer Eberspächer Climate Control Systems. Aktuell sind etwa 90 Prozent für Dieselmotoren konzipiert, ein steigender Anteil der Jahresproduktion kommt inzwischen bei Ottomotoren zum Einsatz. Vorteil der PTC-Keramikelemente ist ihr physikalisch bedingter Schutz vor Überhitzung. Denn sie heizen sich nur bis zu einer bestimmten Temperatur auf, danach wird die Stromaufnahme automatisch reduziert. Im Vergleich dazu benötigen andere Techniken eine Regelung, da deren Heizelemente nicht selbstregelnd sind.

Besonders bedeutsam ist der PTC-Heizer für Elektrofahrzeuge. Ohne die Abwärme des Verbrennungsmotors sind PTC-Elemente derzeit die einzig sinnvolle Wärmequelle für den Innenraum, auch wenn sie die Reichweite der Fahrzeuge besonders im Winter empfindlich einschränken. Brennstoffheizungen sind zwar technisch ausgereift, konterkarieren aber das Prinzip der lokal emissionsfreien Mobilität. Wärmepumpen wird eine große Zukunft prophezeit, allerdings haben sie Leistungsdefizite bei sehr tiefen Temperaturen und sind noch nicht serienreif entwickelt. Klaus Beetz: „Aus heutiger Sicht wird eine Kombination aus Wärmepumpe plus elektrischem PTC-Zuheizer die Zukunft sein“.

Bis dahin setzen die Automobilhersteller auf PTC-Heizer von Catem. Aktuell sind nach Angaben von Klaus Beetz fast alle Elektro-Serienfahrzeuge mit PTC-Heizelementen von Catem ausgerüstet. Die erste Produktgeneration kommt zum Beispiel im Nissan Leaf, Chevrolet Volt und Opel Ampera zum Einsatz, die zweite Generation etwa im E-Golf und E-Up von Volkswagen. Für den i3 und i8 bezieht BMW die Heizelemente allerdings von David & Baader aus dem benachbarten Rülzheim in der Pfalz – dem ehemaligen Joint Venture-Partner von Eberspächer, der die Catem mit aus der Taufe gehoben hat.

In Summe hat Catem nach eigenen Angaben bereits 200 000 E-Fahrzeuge und Hybridmodelle mit PTC-Heizern ausgerüstet. 2014 waren es insgesamt 100 000 Einheiten für 22 verschiedene Fahrzeugmodelle, 2015 will man, bedingt durch einige Neuanläufe, bis zu 180 000 Hochvolt-PTC-Heizungen fertigen. Zumeist in Form eines Wasserheizers, dessen Wärme in einen Wasserkreislauf und anschließend an die Hochvoltbatterie oder die Innenraum-Luft abgegeben wird. Direkte Hochvolt-Luftheizungen werden immer seltener.

Die 2016 debütierende dritte Produktgeneration des PTC-Wasserheizers soll noch einmal effizienter werden, um so die Reichweitenproblematik der Elektrofahrzeuge zu entschärfen. So soll die Heizleistung pro Fläche von aktuell 43 auf 62 Watt pro Quadratzentimeter steigen. Unter anderem wird dies laut Beetz durch weniger, aber leistungsfähigere PTC-Bausteine sowie eine neue Form der Zirkulationskammer mit größerer Wärmeübertragungsfläche erfolgen. Gleichzeitig soll das Modul statt bisher 2,4 weniger als zwei Kilogramm wiegen und kleiner sein. Es ist für Spannungen bis 500 V geeignet – aktuell werden die Hochvolt-PTC-Wasserheizer der Catem bei Spannungen von 280 bis 450 V eingesetzt. Die Automobilhersteller und Catem arbeiten im Entwicklungsstadium aber bereits mit Spannungen bis 800 V.

Bis zu diesem Wert wird auch die bereits geplante vierte Generation ausgelegt sein, die eher eine Revolution lostreten denn als Evolution daherkommen wird. Catem will das Gewicht auf weniger als ein Kilogramm verringern und die Flächenheizleistung auf etwa 90 Watt pro Quadratzentimeter anheben. Für die PTC-Heizelemente sind eine komplett neue Taschengeometrie und eine andere Befestigungsart als das bisherige Klemmsystem angedacht. Zudem soll die in der Montage noch fehleranfällige manuelle Verdrahtung der Heizschleifen durch ein Stanzgitter ersetzt werden, auf dem die Heizschleifen schon fest vordefiniert sind. Augenfälligste Neuerung wird ein neuer Heizkörper sein, der statt wie bisher aus Aluminium aus zwei Werkstoffen bestehen wird – einem inneren mit guten Wärmeübertagungseigenschaften und einem äußeren mit guten Isoliereigenschaften. Mit diesen Neuerungen will Catem auch in etwa zehn Jahren noch einen Marktanteil von mehr als der Hälfte aller Hochvolt-PTC-Heizer halten.

Am anderen Ende der Spannungsskala hat Catem bei den 12-Volt-PTC-Luftheizern ein Schaltelement in den Heizer integriert. „Es ersetzt die Funktionalität der bisherigen externen Relaisbox und wird robuster und deutlicher leiser als diese sein und den Aufwand bei Montage und Verkabelung erheblich reduzieren“, so Beetz. Diese Lösung wird derzeit auch für einen 48-Volt-PTC-Luftheizer adaptiert. Erste Muster dieser Mildhybrid-Anwendung sollen bald in die Wintererprobung mit einem OEM-Partner gehen.

Eberspächer Catem GmbH & Co. KG, Herxheim, www.eberspaecher.com