Auswirkung des elektrifizierten Antriebsstrangs auf die Fahrzeugklimatisierung Gut fürs Klima - AutomobilKONSTRUKTION

Auswirkung des elektrifizierten Antriebsstrangs auf die Fahrzeugklimatisierung

Gut fürs Klima

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Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs bietet ein signifikantes Potenzial für die Reduzierung der CO2-Emissionen. Effizienzgewinne bei reinen Elektrofahrzeugen, so wichtig sie sind, können aufgrund ihrer geringen Stückzahlen nur wenig zur Senkung der weltweiten Emissionen beitragen. Viel wichtiger sind CO2-Einsparungen bei den Hybriden, die im Jahr 2020 eine Marktdurchdringung von etwa 10 % erreichen werden.

Der Autor Dr. Markus Wawzyniak ist Leiter Vorentwicklung Klimatisierung bei der Behr GmbH & Co. KG in Stuttgart

Der Fokus dieses Beitrags liegt deshalb auf diesen Fahrzeugen, speziell auf den erweiterten Start-Stopp-Systemen und den Auswirkungen des kommenden 48-V-Bordnetzes auf die Fahrzeugklimatisierung. Allein durch die Weiterentwicklung der heutigen Start-Stopp-Systeme lässt sich CO2 einsparen:
  • einfacher und erweiterter Start-Stopp: Motor aus an der Ampel; Motor aus bei niedrigen Geschwindigkeiten, z. B. beim Ausrollen auf eine Ampel hin oder bei stockendem Verkehr
  • „Leerlauf-Segeln“ mit entkoppeltem Motor: Immer dann, wenn der Fuß vom Gas geht, wird der Motor entkoppelt und geht in den Leerlauf; er wird nicht mitgeschleppt, wie beim heutigen Schubbetrieb; der Verbrauch sinkt auf den Leerlaufverbrauch
  • Start-Stopp-Segeln mit entkoppeltem Motor und Motor aus: In diesem Fall wird auch noch der Leerlaufverbrauch des Motors eingespart. Messungen ergaben, dass die gesamte Motor-aus-Zeit beim Start-Stopp- Segeln in allen Fahrsituationen unterhalb 120 km/h nahezu 30 % der gesamten Fahrzeit ausmacht; das CO2-Reduzierungspotenzial beträgt hierbei 5 bis 10 % in den verschiedenen Verbrauchszyklen und 20 % im realen Fahrbetrieb.
In den Motor-aus-Phasen entsteht ein Komfortproblem, denn mit dem Motor steht auch der riemengetriebene Klimakompressor. Beim Anstieg der Temperatur über die Komfortgrenze (Düsenausblastemperatur >15 °C) startet der Motor wieder, je nach Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs oft mehrmals kurz hintereinander, z. B. bei längeren oder häufigeren Stopps. Viele Fahrer werden dadurch so verunsichert, dass sie die Start-Stopp-Funktion im Sommer ausschalten und die mögliche Kraftstoffeinsparung verschenken.
Einsatz des Speicherverdampfers
Beim Einsatz des Speicherverdampfers von Behr anstelle eines Serienverdampfers wird die Kühlung der Kabinenluft bei Motorstopp von einem Latentmedium übernommen, das vorher bei laufender KlimaanIage eingefroren wird. Auf diese Weise kann die Zeitspanne, bis die Düsenausblastemperatur 15 °C erreicht, wesentlich verlängert werden: bei einer Außentemperatur von 28 °C von ca. 15 auf 60 s. Somit können ca. 90 % der im Stadtverkehr gemessenen Stopps überbrückt werden, insbesondere weil der Speicher bei laufendem Motor in nur 30 s wieder rund 80 % seiner Kühlkapazität erreicht. Diese hohe Beladedynamik ist besonders wichtig beim neuen Start-Stopp-Segeln. Zwar sind die Stoppzeiten hier deutlich kürzer als z. B. vor Ampeln, dafür ist aber ihre Frequenz wesentlich höher.
Um zu untersuchen, wie sich der längere Stillstand der Klimaanlage auf den Klimakomfort auswirkt und wie dieser aufrechterhalten werden kann, hat Behr zusammen mit Bosch einen Versuchsträger aufgebaut, der ,,start-stopp-segelfähig“ ist und mit einem Speicherverdampfer zur Überbrückung der Motor-aus-Phasen ausgestattet ist. Damit wurden Windkanalmessungen und reale Straßenfahrten durchgeführt. Die Messungen ergaben, dass die gesamte Motorstoppzeit beim Segeln plus Ampelstopp gegenüber dem einfachen Ampelstopp um rund 70 % steigt; die thermische „Diskomfortzeit“ aber nur um etwa 20 %. Dass dieser Anstieg trotz der höheren Frequenz der Motorstopps beim Segeln so gering ausfällt, liegt an der hohen Beladedynamik des Speicherverdampfers.
Entwicklung eines 48-V-Bordnetzes
Bereits in einigen der heutigen Fahrzeuge mit 12-V-Bordnetz wird elektrische Energie durch den Generator gezielt und effizient während den Roll- und Bremsvorgängen gewonnen. Die Energieausbeute wird jedoch durch die entstehenden hohen Stromstärken auf 2 bis 3 kW begrenzt. Entsprechend untersuchen derzeit einige OEMs den Einsatz von 48-V-Systemen, mit denen dann ca. 10 kW rückgewonnen und damit der gesamte elektrische Verbrauch gedeckt werden kann.
In einem ersten Schritt wird die auf 48 V gewonnene Energie auf der 12-V-Ebene eingesetzt werden, was einen DC/DC-Wandler erfordert, der allerdings mit Verlusten behaftet ist und mit steigender Leistung größer und teurer wird. Auf der zweiten Entwicklungsstufe werden, um die Systemeffizienz zu erhöhen und die Kosten zu senken, 48-V-Komponenten entwickelt. Die Wahl der Komponenten richtet sich im Wesentlichen nach deren Leistungsaufnahme und Einschaltdauer. Dabei gilt: je höher die Leistungsaufnahme, desto größer die Einsparpotenziale; bei der Einschaltdauer gilt: je länger, desto größer die Effizienz durch Entfall der Wandlerverluste.
Nachteilig bei 48-V-Komponenten ist die infolge der Trennung der 12-V-Ansteuerungs- von der 48-V-Leistungsseite aufwendigere Regelungselektronik. Die 48-V-Komponenten werden außerdem anfänglich in kleineren Stückzahlen produziert werden – und dadurch teurer.
Auswirkungen des 48-V-Bordnetzes
Bei gleicher Funktionalität kann der Wechsel von 12 auf 48 V für Kühlerlüfter und Klimagebläse zu kleineren Querschnitten der Anschlussleitungen führen. Auch können elektrisch angetriebene Klimakompressoren mit festem Hubvolumen eingesetzt werden, die keine interne mechanische Hubraumverstellung benötigen, da ihre Drehzahl praktisch unbegrenzt regelbar ist. Der elektrische Antrieb ermöglicht den Einsatz von Scroll-Kompressoren, die kleiner, leichter und billiger sind als heutige Kolbenkompressoren. Der Einsatz eines elektrischen Kompressors erlaubt schließlich eine Klimatisierung in den Motor-Stopp-Phasen ohne vorherige Kältespeicherung.
Mit einem 48-V-Bordnetz kann die Kabinenheizung konventionell angetriebener Fahrzeuge deutlich verbessert werden. Unter Berücksichtigung vergleichbarer Maximalströme ließe sich in einem Klimagerät im üblichen Bauraum ein 48-V-PTC-Zuheizer mit 4,5 kW Leistung einsetzen. Im Vergleich zur Basiskonfiguration (12-V-PTC mit 1,2 kW) wird damit bei einer Außentemperatur von -20 °C nach 10 min Fahrzeit eine 14 °C höhere Kabinentemperatur erreicht. Die Komforttemperatur von 20 °C ist anstatt nach ca. 45 min bereits nach 15 min erreicht.
Auch für Elektro- und Hybridfahrzeuge eröffnet das 48-V-Bordnetz interessante Perspektiven. Für eine leistungsfähige und spontane Zuheizung werden bislang luft- oder wasserseitige Hochvolt-PTC-Heizer (300 V) eingesetzt. Beim Einsatz eines luftseitigen Hochvolt-PTCs muss – wegen des größeren Bauraumbedarfs dieses Zuheizers gegenüber einem 12-V-Zuheizer – das Klimagerät angepasst werden. Dazu kommt, dass sich bei Einsatz dieses Zuheizers eine Hochvolt-Komponente im Fahrzeuginnenraum befindet, die zusätzliche Sicherungsmaßnahmen erfordern kann.
Bei Einsatz eines wasserseitigen Hochvolt-PTCs bleibt der Innenraum zwar hochvoltfrei und das Klimagerät muss nicht geändert werden, allerdings ist wegen der indirekten Wärmeübertragung – zuerst von den PTC-Elementen auf das Wasser, vom Wasser dann im Heizgerät auf die Luft – die Effizienz dieses Zuheizers geringer als die eines direkt heizenden luftseitigen Zuheizers. Neben den Wärmeverlusten des Kühlmittelkreislaufes an die Umgebung ist auch noch die elektrische Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe als bilanzverschlechternd zu berücksichtigen.
Mit dem Einsatz eines luftseitigen 48-V-PTCs hingegen können die Nachteile der beschriebenen Konzepte in Elektro- und Hybridfahrzeugen vermieden werden. Da der Bauraum dem eines leistungsgleichen 12-V-PTC entspricht, muss das Klimagerät nicht geändert werden. Außerdem bleibt der Innenraum hochvoltfrei. Dazu kommt, dass dieser Zuheizer eine hohe Effizienz aufweist, da die gesamte aufgenommene elektrische Energie in Wärme für die Fahrgastzelle umgesetzt wird. Auch sind die Anforderungen an die Sicherheit beim 48-V- nicht höher als beim 12-V-Bordnetz. Anders als beim Einsatz von Hochvoltkomponenten sind somit keine zusätzlichen, kostentreibenden Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.
Behr, Tel.: 0711 896-0, E-Mail: info@behrgroup.com
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