08 - Klimaanlagen in HV-Fahrzeugen

Im Gegensatz zum herkömmlichen 12 V Bleiakku beinhalten Li-Ionen-Batterien für den elektrischen Antrieb hohe Energiemengen und unterschiedlichste Chemikalien. Diese sind leicht entzündlich und bilden beim Austreten explosive Gemische.

Die Vorfälle im Zusammenhang mit Entzündungen oder Explosionen bei Li-Ionen-Akkus bei Laptops und Fahrzeugbränden in E-Fahrzeugen, aber auch den Bränden an Bord des Dreamliners von Boeing, sorgen für eine entsprechende Medienpräsenz und Fokussierung auf die Sicherheit von Batteriesystemen in Elektromobilen.

Lithium-Ionen-Akkus reagieren äußerst empfindlich, wenn sie nicht innerhalb des definierten Temperaturfensters (0°C bis 65°C) betrieben werden. Bei tiefen Werten wird zwar der Alterungseffekt verlangsamt, aber auch die Leistungsfähigkeit reduziert, da sich der Widerstand des Elektrolyts erhöht.

Nachdem aber in den Akkus wie oben beschrieben auch brennbare und leicht entzündliche Chemikalien eingebracht sind, können ein Kurzschluss, eine Überladung oder ein Überschreiten der zulässigen Zellspannung die Zelltemperatur erhöhen und im ungünstigsten Fall zum unkontrollierten Temperaturanstieg führen. Dabei reagiert das Graphit an den Elektroden mit dem hoch reaktiven Lithium. Dies führt in der Zelle zu einer Kettenreaktion. Batteriebrand und Explosion aufgrund des in der Zelle entstehenden Überdrucks sind die Folgen.

Der Hersteller ist gezwungen, das Gefahrenpotential durch Kurzschlüsse, Überladung, zu hoher Wärmeentwicklung, extremen Umwelteinflüssen und mechanischer Beschädigung weitgehend zu minimieren oder auszuschließen. Um diese Sicherheit zu gewährleisten, spielen das Batteriedesign, die verbaute Mechanik und das Batteriemanagementsystem eine entscheidende Rolle.

Das Problem beim Dreamliner ist auf Kobaltoxid als Kathodenmaterial zurückzuführen, da dies zu thermischer Zersetzung bei relativ geringen Temperaturen neigt und das Lithium mit dem freiwerdenden Oxid eine exotherme Reaktion anstößt. Die freiwerdende Wärme sorgt sodann ab 300°C dafür, dass der Elektrolyt zu brennen beginnt. Dieses thermische Durchgehen (thermal runaway) wird bei Kathodenmaterial aus Li-thium-Eisenphosphat nahezu ausgeschlossen. Aus diesem Grund wird auch meist in HV-Fahrzeugen dieser Akku-Typ verbaut.

Damit die Batterie gar nicht erst in einen kritischen Temperaturbereich kommt, wird häufig eine Batteriekühlung mit Hilfe einer Klimaanlage notwendig.

Die HV-Batterie kann direkt von der Klimaanlage durch einen in der Batterie integrierten Verdampfer, über AC-gekühltes Kühlmittel oder über eine Gebläse-Kühlung gekühlt werden.

Der generelle Aufbau der Klimaanlage in einem HV-Fahrzeug entspricht weitgehend dem einer Klimaanlage in konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.

Die Besonderheit liegt in der Notwendigkeit, eine PTC-Heizung einzubauen, da beim elektrischen Fahren keine Abwärme eines Verbrennungskraftmotors zur Erwärmung vorhanden ist.

Um den Innenraum zu erwärmen kann der PTC-Zuheizer die Luft direkt erwärmen.

Meist wird die Luft aber über einen konventionellen Heizungswärmetauscher erwärmt. Das Kühlmittel, das von der Leistungselektronik, bzw. dem Drehstrommotor vorerwärmt werden kann, wird von einem PTC aufgeheizt und von mindestens einer elektrischen 12V-Wasserpumpe umgewälzt.

Der Antrieb des Klimakompressors erfolgt durch einen Elektromotor, dadurch kann die Kühlung auch bei stehendem Fahrzeug sichergestellt werden.

Der Klimakompressor mit Elektromotor wird vom HV-System mit Spannung versorgt. Als Kompressor wird meist ein Scrollverdichter verwendet.

Beim Scrollverdichter handelt es sich um zwei ineinander gesteckte Spiralen, wobei eine Spirale fest steht und die zweite sich exzentrisch dazu bewegt. Der Verdichter kommt ohne Ventile aus, da bei jeder Umdrehung in verschiedenen Gasräumen gleichzeitig verdichtet wird, wodurch eine ständige Förderung von verdichtetem Kältemittel ermöglicht wird.

Dieser einfache Aufbau und der Verzicht auf Ventile machen den Scrollverdichter 10% bis 15% effektiver als einen Kolbenkompressor, der noch dazu größer baut.

Die geringeren Pulsationsschwankungen, höhere Liefergrade, der ruhige Lauf, Unempfindlichkeit gegenüber Flüssigkeitsschlägen und die gute Regelbarkeit sind weitere Vorteile.

Als Schmiermittel für das Kältesystem von Hybridfahrzeugen - der meisten Hersteller, aber nicht von allen - darf nur neues, sauberes, nicht gebrauchtes Polyester-Öl (POE) für elektrische Kompressoren verwendet werden.

POE-Öle sind Polyesteröle oder auch Öle auf Esterbasis, die die Eigenschaft haben elektrisch isolierend zu wirken.

Verwendet man kein POE-Öl, besteht die Gefahr von Isolationsdefekten an den elektrischen Komponenten im Innern des Kompressors.

Dadurch kann es zu einem Isolationsfehler kommen, da die Hochspannung an das Gehäuse des Verdichters übertragen werden kann.

Das POE-Öl darf nicht mit PAG-Öl gemischt werden.

1. Kühlmittelheizung – Hochvoltbatterie
2. Kühlmittel-Dreiwegeventil – Elektromotor
3. Kühlmittel-Dreiwegeventil – Hochvoltbatterie
4. Kühlmittelpumpe – Hochvoltbatterie
5. Wärmetauscher – Hochvoltbatterie
6. Kühlmittel-Dreiwegeventil – Innenraumheizung
7. Kühlmittelpumpe – Elektromotor
8. Kühlung - Innenraumheizung
9. Kühlmittelpumpe – Innenraumheizung

1. Saugseite
2. Kühlmittelpumpe
3. Elektrischer Anschluss
4. Auslassseite

Im gesamten Kühlsystem sind drei elektrische Kühlmittelpumpen verbaut. Diese werden je nach Anforderung über ein PWM-Signal vom PCM (Antriebsstrangsteuergerät) angesteuert. Über das PWM-Signal wird die Drehzahl des Elektromotors reguliert und somit die Durchflussmenge geregelt.

Über eine separate Leitung empfängt das PCM die Information, dass der Elektromotor sich dreht. Im Fehlerfall wird ein DTC (Fehlercode) gesetzt.

1. Einlassseite
2. Auslassseite
3. Kühlmittel-Dreiwegeventil
4. Elektrischer Anschluss

Im gesamten Kühlkreislauf sind drei Kühlmittel-Dreiwegeventile verbaut. In den Kühlmittel-Dreiwegeventilen sind eine Elektronik sowie ein Gleichstrommotor integriert. Über das PCM (Antriebsstrangsteuergerät) werden die Elektronik gemäß den Anforderungen und der Gleichstrommotor angesteuert, über den die angeforderte Ventilstellung realisiert wird. Je nach Anforderung kann das Ventil die eine oder die andere Auslassseite verschließen oder in einer Zwischenstellung verharren.

Ãœber einen internen Sensor erkennt die Elektronik die aktuelle Position des Ventils. Diese wird dann an das PCM weitergeleitet

1. Anschluss – Hochvoltsystem
2. Anschluss – Niedervoltsystem

Der elektrische PTC-Zuheizer – Innenraumheizung ist im Kühlmittelkreislauf der Innenraumheizung angeschlossen.

Im Inneren des Zuheizers sind folgende Elemente integriert:

• vier Heizelemente und
• die Elektronik zur Ansteuerung der Heizelemente

Das Kühlmittel fließt über die vier Heizelemente und wird dabei erwärmt. Die Heizelemente werden über die Hochvoltbatterie versorgt. Die Leistungsaufnahme beträgt max. 6000 Watt.

Entsprechend der gewählten Temperatur im Innenraum sendet das Modul – EATC (automatische elektronische Temperaturregelung) ein Signal über den Datenbus an das PCM. Dieses Signal wird im PCM ausgewertet und daraufhin ein pulsweitenmoduliertes Signal an die Elektronik des elektrischen PTC-Zuheizers – Innenraumheizung gesendet. Anhand dieses Signals regelt die Elektronik die Stromzufuhr zu den Heizelementen.

1. Wärmetauscher – Hochvoltbatterie
2. Kühlmittelauslass
3. Kühlmitteleinlass
4. Expansionsventil
5. Abschaltmagnetventil

Der Wärmetauscher – Hochvoltbatterie ist im Kühlmittelkreislauf – Hochvoltbatterie integriert und ist zusätzlich über ein elektrisch abschaltbares Expansionsventil mit dem Kältemittelkreislauf verbunden. Ist die Temperatur in der Hochvoltbatterie zu hoch, wird zur zusätzlichen Unterstützung des Kühlmittelkreislaufs – Hochvoltbatterie der elektrische Klimakompressor angesteuert. Bei geöffnetem Magnetventil – Trennschalter Innenraumklimatisierung – Hochvoltbatterie fließt das Kältemittel über das Expansionsventil durch den Wärmetauscher. Als Folge daraus wird dem Kühlmittel Wärme entzogen.

Die Kühlmittelheizung – Hochvoltbatterie besteht aus 3 Glühkerzen, die über zwei Relais vom PCM angesteuert werden. Sie haben insgesamt eine Leistungsaufnahme von 900 W. Entsprechend dem jeweiligen berechneten Temperaturbedarf werden eine, zwei, oder alle drei Glühkerzen angesteuert. Das Kühlmittel fließt direkt an den Glühkerzen vorbei und erwärmt sich

Im Kühlmittelkreislauf – Hochvoltbatterie ist ein Filter direkt hinter der Kühlmittelpumpe – Hochvoltbatterie verbaut. Dieser Filter ist notwendig, um eventuelle Verunreinigungen aus dem Kühlmittel herauszufiltern, damit die sehr feinen Kühlkanäle in der Hochvoltbatterie nicht verstopfen. Eine Verstopfung der Kühlkanäle in der Hochvoltbatterie kann zu erhöhten Temperaturen in den einzelnen Zellen und im schlimmsten Fall zum Ausfall der Hochvoltbatterie führen.

A -> Kühlmittelkreislauf – Innenraumheizung

B -> Kühlmittelkreislauf – Hochvoltbatterie

C -> Kühlmittelkreislauf – Elektromotor

1. Ausgleichbehälter
2. Kühlmittel-Dreiwegeventil – Elektromotor
3. ECT (Kühlmitteltemperatur)-Sensor – Elektromotor
4. Kühlmittel-Dreiwegeventil – Innenraumheizung
5. Kühlmittelpumpe – Innenraumheizung
6. Innenraumheizung Elektrischer PTC
7. ECT-Sensor – Innenraumheizung
8. Heizungsgehäuse
9. Wärmetauscher – Innenraumheizung
10. Filter
11. Kühlmittelheizung – Hochvoltbatterie
12. Untere Hochvoltbatterie
13. Obere Hochvoltbatterie
14. Steuermodul - Ladezustandsüberwachung
15. ECT Sensor – Hochvoltbatterie
16. Kühlmittelpumpe – Hochvoltbatterie
17. Kühlmittel-Dreiwegeventil – Hochvoltbatterie
18. Wärmetauscher – Hochvoltbatterie
19. Elektromotor
20. TCM (Getriebesteuergerät) mit integrierter Leistungselektronik
21. Kühlmittelpumpe – Elektromotor
22. DC (Gleichstrom)/DC-Wandler
23. Kühlerlüfter
24. Kühler

1. Kühlmittelpumpe – Hochvoltbatterie
2. Filter
3. Kühlmittelheizung – Hochvoltbatterie
4. Untere Hochvoltbatterie
5. Obere Hochvoltbatterie
6. SOBDM (Steuermodul-Ladezustandsüberwachung)
7. ECT (Kühlmitteltemperatur)-Sensor – Hochvoltbatterie
8. Kühlmittel-Dreiwegeventil – Hochvoltbatterie
9. Wärmetauscher – Hochvoltbatterie (Chiller)

Über den Kühlmittelkreislauf – Hochvoltbatterie werden die Hochvoltbatterien und das SOBDM (Steuermodul-Ladezustandsüberwachung) gekühlt bzw. erwärmt.

Die Hochvoltbatterien arbeiten am besten bei Temperaturen zwischen 10 °C und 30 °C.

Wird die Hochvoltbatterie geladen und die Temperatur liegt unterhalb von 10 °C, steuert das PCM (Antriebsstrangsteuergerät) das entsprechende Relais an. Somit fließt ein Strom über das bzw. die Heizelement(e) der Kühlmittelheizung – Hochvoltbatterie und das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf – Hochvoltbatterie wird erwärmt.

Während der Fahrt werden die Kühlmitteltemperaturen der drei Kühlmittelkreisläufe vom PCM überwacht. Liegt die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelkreislaufs – Hochvoltbatterie unterhalb von 10 °C und die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelkreislaufs – Elektromotor ist wärmer, so wird das Kühlmittel-Dreiwegeventil – Hochvoltbatterie so angesteuert, dass das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf – Elektromotor in den Kühlmittelkreislauf – Hochvoltbatterie fließt und die Hochvoltbatterie erwärmt wird.

Steigt die Kühlmitteltemperatur des Kühlmittelkreislaufs – Hochvoltbatterie über 38 °C, sendet das PCM über den Datenbus ein Signal an das ACCM (Klimaanlagensteuermodul) und aktiviert das Magnetventil – Trennschalter Innenraumklimatisierung – Hochvoltbatterie. Das ACCM steuert den elektrischen Klimakompressor an, so dass das Kältemittel vom elektrischen Klimakompressor über das Expansionsventil zum Wärmetauscher – Hochvoltbatterie und zurück zum elektrischen Klimakompressor strömt. Daraus resultiert eine Abkühlung des Wärmetauschers – Hochvoltbatterie. Als Folge daraus wird dem Kühlmittel das durch den Wärmetauscher – Hochvoltbatterie fließt, Wärme entzogen. Fällt die Kühlmitteltemperatur unter 36 °C wird der elektrische Klimakompressor abgeschaltet.

Die obere Temperaturgrenze des Kühlmittelkreislaufs – Hochvoltbatterie beträgt 50 °C. Bevor diese Temperatur erreicht wird, werden im Kombiinstrument Hinweise und Warnungen angezeigt. Beim Erreichen der oberen Temperaturgrenze wird die Spannungsversorgung des Hochvoltsystems vom BECM (Batteriekontrollmodul) abgeschaltet.

Im Kühlmittelkreislauf – Hochvoltbatterie ist ein Kühlmittelfilter verbaut.

1. Kühlmittel-Dreiwegeventil – Elektromotor
2. Kühlmittel-Dreiwegeventil – Innenraumheizung
3. ECT (Kühlmitteltemperatur)-Sensor – Elektromotor
4. TCM (Getriebesteuergerät) mit integrierter Leistungselektronik
5. Elektromotor
6. DC/DC-Wandler
7. Kühlmittelpumpe – Elektromotor
8. Kühlerlüfter
9. Kühler

Über diesen Kühlmittelkreislauf werden der Elektromotor, das TCM mit integrierter Leistungselektronik und der DC/DC-Wandler gekühlt. Das elektrisch angesteuerte Dreiwegeventil arbeitet wie ein Thermostat und wird vom PCM (Antriebstrangsteuergerät) angesteuert.

Bei kaltem Elektromotor wird das Dreiwegeventil so angesteuert, dass das Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe – Elektromotor zum DC/DC-Wandler und von dort über das TCM mit integrierter Leistungselektronik zum Elektromotor und über das Dreiwegeventil – Innenraumheizung zurück zur Kühlmittelpumpe fließt.

Bei warmem Elektromotor wird das Dreiwegeventil – Elektromotor langsam geöffnet, so dass das Kühlmittel zusätzlich über den Kühler fließt.

Bei zu hoher Temperatur wird die Leistung des Elektromotors reduziert. Die obere Temperaturgrenze des Elektromotors beträgt 85 °C. Bei dieser Temperatur wird der Elektromotor nicht mehr bestromt.

Gerade das Aufwärmen des Fahrgastraumes durch PTC-Zuheizer benötigt viel elektrische Energie. Da die Speicherkapazität der HV-Speicher zurzeit noch gering ist und die Reichweite limitiert, wird diese durch die Heizung noch weiter reduziert.

Als Ausweg sehen Automobilhersteller wie VW oder Renault die so genannte Wärmepumpe. Hierbei wird die Energie nicht aus der HV-Batterie entnommen, sondern aus der Umgebungsluft gewonnen.

Durch diese konstruktive Änderung der Klimaanlage wird die Reichweite verlängert.

Die folgenden Grafiken zeigen den Kältemittelkreislauf eines VW e-Golfs mit Wärmepumpe in der Stellung „Abkühlung des Innenraums“.

In der Funktion „Kühlen“ arbeitet das Wärmepumpensystem als Klimaanlage.

Das verdichtete Kältemittel verlässt den Klimakompressor auf der Hochdruckseite. Dabei ist es heiß und gasförmig und strömt weiter zum Heiz-Kondensator.

Durch die geschlossene Temperaturklappe im Klimagerät wird der Heiz-Kondensator nicht mehr von der Außenluft durchströmt. Es gelangt keine erwärmte Luft in den Fahrzeuginnenraum. Weiterhin findet auch keine Änderung des Aggregatzustandes des Kältemittels statt.

Das heiße und gasförmige Kältemittel strömt nun über das geöffnete Absperrventil N696 (AV1) zum Kondensator. Hier findet eine komplette Kondensation statt.

Im Expansionsventil N637 (EXV2) entspannt sich das Kältemittel teilweise.

Im Verdampfer kann das Kältemittel komplett verdampfen. Der durchströmenden Luft wird die Wärme entzogen. Kalte Luft strömt in den Innenraum.

Das verdichtete, heiße und gasförmige Kältemittel verlässt den Klimakompressor auf der Hochdruckseite.

Im Heiz-Kondensator gibt das Kältemittel Wärme an die durchströmende Außenluft ab und kondensiert zum Teil. Die so erwärmte Frischluft strömt über die geöffnete Temperaturklappe in den Fahrzeuginnenraum.

Im geöffneten Expansionsventil 1 (N636) werden der Druck und die Temperatur des zum Teil flüssigen Kältemittels abgesenkt.

Der Verdampfer arbeitet jetzt als Kondensator. Hier erfolgt nun die komplette Kondensation des Kältemittels. Die dabei entstehende Restwärme wird zusätzlich zum Erwärmen des Innenraumes genutzt.

Im Expansionsventil 2 (N637) wird der Kältemitteldruck nochmals abgesenkt. Die Temperatur des Kältemittels liegt nach der Expansion stark unterhalb der Umgebungstemperatur.

Der im Frontbereich verbaute Klimaanlagen-Kondensator arbeitet jetzt als Verdampfer. Die dazu notwendige Verdampfungswärme wird der wärmeren Außenluft entzogen. Das gasförmige Kältemittel strömt durch das geöffnete Absperrventil 5 (N643) über den Trockner zum Kompressor.

Bei dieser Funktion wird ausschließlich die Wärme des Kühlmittels zum Verdampfen des Kältemittels genutzt. Reicht die Kühlmitteltemperatur nicht aus, um das Kältemittel zu verdampfen, wird es über die Hochvoltheizung PTC Z115 erwärmt.

Der Ablauf von der Verdichtung im Kompressor bis zur kompletten Kondensation im Kondensator (Verdampfer) ist identisch der Funktion Heizen: Luftbetrieb.

Im Expansionsventil 3 (N638) führt die Expansion zur teilweisen Verdampfung des Kältemittels. Die Temperatur des Kältemittels liegt unterhalb der Umgebungstemperatur.

Im Wärmetauscher für Heizkondensator verdampft das Kältemittel komplett. Die dazu notwendige Verdampfungswärme wird dem wärmeren Kühlmittel entzogen. Ist die Hochvoltheizung aktiv, wird gleichzeitig die „Pumpe vor Hochvoltheizung V509“ angesteuert.

Des Weiteren kann hierbei auch die HV-Batterie gekühlt werden

Bei dieser Funktion wird die Wärme der Außenluft und die Wärme des Kühlmittels zum Verdampfen des Kältemittels genutzt.

Der Ablauf von der Verdichtung im Kompressor bis zur kompletten Kondensation im Verdampfer ist analog der Funktion: Heizen – Luftbetrieb.

In den Expansionsventilen 2 (N237) und 3 (N638) führt die Expansion zur teilweisen Verdampfung des Kältemittels. Der Öffnungsquerschnitt der einzelnen Expansionsventile wird vom Steuergerät für Thermomanagement gesteuert.

Im Chiller und im AC-Kondensator wird das Kältemittel vollständig verdampft.

Der Wärmetauscher für Heizkondensator (Chiller) entnimmt die dafür notwendige Energie dem Kühlmittelkreislauf der HV-Batterie. Der AC-Kondensator nimmt die Energie von der vorbeiströmenden Außenluft auf.

Durch die Entkoppelung des Klimakompressors von dem laufenden Verbrennungskraftmotor können neue Funktionen in das Fahrzeug integriert werden.

So kann bei Fahrzeugen im Start-Stopp-Betrieb auch an Ampeln die vorgewählte Innenraumtemperatur gehalten werden.

Elektrofahrzeuge können im abgestellten Zustand vorklimatisiert werden. Wobei nicht nur die Standheizung gemeint ist, sondern auch die Abkühlung des abgestellten Fahrzeugs.

Das schon angesprochene Problem der eingeschränkten Reichweite führt dazu, dass einige Hersteller die Standklimatisierung nur im Lademodus bei entsprechend geladener HV-Batterie erlauben.

Um die Reichweite zu verlängern, wird die Klimaanlage je nach eingestelltem Fahrprofil in verschiedenen Leistungsstufen bzw. ohne AC-Funktion betrieben.

Über die weitgehende Vernetzung heutiger Fahrzeuge ist es möglich die Standklimatisierung direkt im Fahrzeug zu programmieren, oder über eine Smartphone-App zuregeln (Abfahrtzeit, Innenraumtemperatur und benötigter Reichweite).