In Elektrofahrzeugen spielt die Klimatisierung des Innenraums und die Temperierung der Batterie eine zentrale Rolle. Anders als Verbrennungsmotoren liefern elektrische Antriebe kaum Abwärme, weshalb klassische Heizmöglichkeiten wie der Motorwärmetauscher wegfallen. Um dennoch im Winter komfortable Temperaturen im Fahrzeuginnenraum zu erreichen und nicht zuletzt die Batterie im optimalen Temperaturbereich zu halten, werden verschiedene Heizsysteme eingesetzt.
So funktionieren PTC-Heizer
Die einfachste Variante ist die PTC-Heizung. PTC bedeutet "Positive Temperature Coefficient" (positiver Temperaturkoeffizient). Die Lufterhitzung in PTC-Heizungen erfolgt durch spezielle Keramikelemente, die als Heizelemente dienen. Wenn elektrischer Strom durch diese PTC-Keramik fließt, erzeugt die elektrische Energie Wärme, die dann an die vorbeiströmende Luft abgegeben wird. Dabei hat das Heizelement einen besonderen Effekt: Mit steigender Temperatur erhöht sich sein elektrischer Widerstand, wodurch der Stromfluss reduziert wird und die Heizung sich selbst auf eine sichere, konstante Temperatur regelt. So wird verhindert, dass die Heizung zu heiß wird oder durchbrennt.
Diese selbstregulierende Eigenschaft ermöglicht eine energieeffiziente und sichere Erwärmung der Luft, ohne dass zusätzliche Steuerungen oder Sicherheitsschalter notwendig sind. Das PTC-Heizelement passt seine Leistung immer an die Umgebungstemperatur und den Wärmebedarf an, indem bei höherer Temperatur der Widerstand des Elements steigt und dadurch die Stromaufnahme sinkt. Somit kann der PTC-Heizlüfter schnell Wärme liefern und gleichzeitig Überhitzung vermeiden.
PTC-Heizer werden mit ihrem Wärmetauscher direkt in den Luftstrom der Heizung integriert.
PTC-Heizer werden in Elektrofahrzeugen direkt in den Luftstrom des Lüftungssystems integriert. Sie wandeln elektrische Energie nahezu vollständig in Wärme um und sorgen so für schnelle Erwärmung des Innenraums. Der Vorteil liegt in der Einfachheit und der unmittelbaren Reaktionsfähigkeit, der Nachteil ist der vergleichsweise hohe Energieverbrauch. Bei niedrigen Außentemperaturen kann der Einsatz von PTC-Heizern die Reichweite eines Elektroautos erheblich reduzieren, da große Mengen Strom aus der Batterie entnommen werden.
So funktionieren Wärmepumpen
Eine energieeffizientere Alternative stellt die Wärmepumpe dar. Sie nutzt je nach Auslegung vorhandene Wärmequellen wie die Abwärme von Elektromotor, Wechselrichter und Batterie sowie die Umgebungsluft, um den Innenraum zu beheizen. Im Prinzip arbeitet die Wärmepumpe wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt: Ein Kältemittel verdampft bei niedriger Temperatur, entzieht der Umgebung Wärme, wird anschließend verdichtet, wodurch seine Temperatur steigt, und gibt diese Wärme über einen Kondensator an den Fahrzeuginnenraum ab. Auf diese Weise lassen sich aus einem Kilowatt elektrischer Antriebsenergie bis zu drei Kilowatt Wärme erzeugen, was die Effizienz gegenüber reinen PTC-Heizern deutlich erhöht.
Gleichzeitig kann eine Wärmepumpe bei warmem Wetter auch zur Kühlung genutzt werden, was den Bauraum und das Gewicht gegenüber separaten Heiz- und Kühlkreisläufen reduziert. In modernen Systemen werden unterschiedliche Kältemittel eingesetzt, etwa R1234yf oder R744 (CO₂). CO₂ hat den Vorteil, dass es auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen noch effizient arbeitet und gleichzeitig umweltfreundlich ist, da es weder die Ozonschicht schädigt noch ein starkes Treibhauspotenzial besitzt.
Die Wärmepumpe in Elektroautos, hier am Beispiel des Porsche Macan, ist keine einzelne Einheit, sondern eine Kombination aus mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, um zu heizen oder zu kühlen.
Die Integration einer Wärmepumpe ist komplex, da viele Komponenten wie Verdampfer, Kondensator, Expansionsventile, Schaltventile und Sensoren miteinander verbunden werden müssen, um die gewünschte Temperaturregelung zuverlässig zu gewährleisten. Bei modernen Elektroautos übernimmt eine Wärmepumpe außerdem die Batterietemperierung, um Leistung und Lebensdauer zu optimieren. Denn sowohl zu kalte als auch zu warme Akkus sollten vermieden werden. Bei zu niedrigen Temperaturen sinkt die nutzbare Kapazität deutlich ab, die Batterie liefert weniger Strom und das Schnellladen ist eingeschränkt. Zu hohe Temperaturen wiederum können die Batterie beschädigen.
Zukunfts-Lösung von Webasto
Neben diesen klassischen Technologien entwickelt die Industrie zunehmend hochintegrierte Systeme, die mehrere Funktionen in einem Bauteil vereinen. Ein Beispiel ist der Heated Chiller von Webasto. Dieses System kombiniert drei Funktionen: die Kühlung des Innenraums, die Heizung des Innenraums und die aktive Temperierung der Batterie. In konventionellen Fahrzeugarchitekturen müssten dafür mehrere separate Geräte installiert werden, jedes mit eigenen Leitungen, Steuerungen und Dichtstellen.
Der Heated Chiller ersetzt diese Komponenten durch eine einzige Lösung, reduziert Bauraum, Gewicht und Komplexität und verbessert gleichzeitig Effizienz und Komfort. Das Gerät erwärmt das Kühlmittel für die Batterie, entzieht überschüssige Wärme beim Schnellladen oder sportlicher Fahrweise und liefert gleichzeitig warme Luft in den Innenraum. Auf diese Weise wird die Batterie schnell auf den optimalen Temperaturbereich gebracht. Die Serienproduktion soll in Kürze anlaufen.
Ähnlich fortschrittlich ist der "Next Generation Coolant Heater", ebenfalls von Webasto, der Hochvolt-Heizleistung modulartig zwischen drei, sechs und neun Kilowatt skalierbar liefert und sowohl Innenraum als auch Batterie temperiert. Die Konstruktion erlaubt den Einsatz neuer Kältemittel und ist auf 400- und 800-Volt-Architekturen von Elektroautos ausgelegt.
