Effiziente Heizlösungen für mehr Batterieleistung und Komfort in Hybrid- und Elektrofahrzeugen

Von Jürgen Dunsch, Senior Business Development Manager HV Coolant Heaters, BorgWarner Emissions Systems in Ludwigsburg

Das Kernstück des HVCH sind langlebige Dickschicht-Heizelemente (Thick Film Heating Elements, TFE), bei denen ein Substrat aus Edelstahl die siebbedruckten dielektrischen Schichten und Heizwiderstände trägt. © BorgWarner

BorgWarners effiziente Hoch- und Niedrigvolt-Heizlösungen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge repräsentieren den neuesten Stand der Technik. Auf diese Weise erfüllen sie die hohen Ansprüche der Automobilindustrie im Hinblick auf Komfort und Sicherheit.

Der aktuelle Elektrifizierungstrend bringt Veränderungen mit sich: Das Wärme-Management moderner Pkw wird zunehmend vom Verbrennungsmotor entkoppelt und die Unterstützung durch Zuheizsysteme ist gefordert. Um Hybrid- und Elektrofahrzeugen rein elektrisches Fahren zu ermöglichen, sind gerade im Winter Lösungen gefragt, welche das auftretende Heizleistungsdefizit kompensieren. Diese müssen bei Hybridfahrzeugen zeitweise und bei Elektroautos dauerhaft ohne nutzbare Abwärme arbeiten und gleichzeitig energieeffizient sein, um Verbrauch, Reichweite und Beschleunigung nicht zu beeinträchtigen.

Hinsichtlich zukunftssicherer Heizkonzepte sind BorgWarners innovative Wärmemanagement-Lösungen eine Antwort auf die steigende Nachfrage der Automobilhersteller. Die Familie der Fahrzeuginnenraumheizer des Unternehmens umfasst den Hochvolt-Kühlmittelzuheizer (High-Voltage Coolant Heater, HVCH) und den Hoch- und Niedrigvolt-Luftheizer. Erstgenannter ist ebenfalls Teil von BorgWarners Batterieheizer-Familie. Neben hohen batteriebetriebenen Reichweiten ermöglichen diese selbst bei niedrigen Außentemperaturen in kürzester Zeit ein angenehmes Kabinenklima.

Der Hochvolt-Kühlmittelzuheizer

BorgWarners HVCH – erhältlich in Leistungsvarianten von 3 bis 10 kW – ersetzt in Batterie und Kabinen-Wärmemanagement-Systemen von Elektrofahrzeugen den Verbrennungsmotor als Wärmequelle. Indem er die Batteriekonditionierung unterstützt, wird die Lebensdauer der Batterie und die Reichweite des Fahrzeugs verbessert. Außerdem ermöglicht die geringe thermische Masse der innovativen Technologie schnelle Reaktionszeiten fürs Aufheizen und Abkühlen, was zu einer permanent homogenen Temperaturverteilung zwischen den Akkupacks und –zellen führt.

Langlebige Dickschicht-Elemente (Thick Film Heating Element, TFE) sind das Herzstück des HVCHs – ein Substrat aus Edelstahl trägt hierbei die dielektrischen Schichten und die Heizwiderstände. Auch eine integrierte Heizplatten-Temperaturmessung wird durch die Technologie, die BorgWarner als Einzelplatten-und Zweiplatten-Lösung anbietet (Abb. 2), ermöglicht. Beide Ausführungen sind in ein robustes Aluminium-Druckgussgehäuse integriert und weisen an den TFE eine hohe Leistungsdichte auf. Daruber hinaus besitzt die Konstruktion eine hohe Temperatur-Wechselbeständigkeit und ist widerstandsfähig gegen Vibrationen, Schwingungen, sowie mechanische Belastungen. Der entscheidende Vorteil des kompakten Zweiplatten-Systems: Es verfügt über zwei Heizplatten und bietet daher bis zu 80 Prozent mehr Wärmeübertragungsfläche.

Außerdem entsteht durch die mit Kühlmittel bedeckten Heizpakete nur minimale Verlustwärme – was zu höherer Effizienz führt – und das dreiteilige Aluminium-Gehäuse bedingt exzellente elektromagnetische Abschirmung.

BorgWarner hat für seine intelligente Lösung und dessen robuste Leistungselektronik außerdem eine Sicherheitsstrategie entwickelt, die für die Vermeidung thermischer Events, wie beispielsweise Überhitzen, sorgt. Sobald das System einen Fehlerfall erkennt, schaltet es sich selbst automatisch ab.

Der Hoch- und Niedrigvolt-Luftheizer

Eingesetzt in Hybrid- und Elektrofahrzeugen mit bis zu 450 V, wird BorgWarners 3,24 kg schwerer Luftheizer als leicht integrierbare „Plug & Play“ Modullösung angeboten. Indem das bis zu 7 kW starke Gerät den vom Gebläse kommenden Luftstrom schnell aufheizt, werden in kürzester Zeit die gewünschten Temperaturen zur Verfügung gestellt.

Dank seines geringen Gewichts und seiner Kompaktheit ist der Luftheizer die ideale Lösung für moderne Leichtbaukonzepte. Darüber hinaus sorgt der komplett umschlossene Heizstab für maximalen Schutz gegen hohe Spannungen. Zusammen mit dem Lamellendesign des Zuheizers sorgt dieser für einen geringen Druckverlust von weniger als 37 Pa (bei 400 m3/h), was wiederum dem Gebläse ermöglicht mit niedrigeren Drehzahlen zu arbeiten und den Geräuschpegel im Fahrzeuginnenraum zu verringern.

Die Zwei-Zonen-Funktionalitat (Abb. 3) des Luftheizers ermöglicht eine präzise und individuelle Regulierung des Luftstroms für Fahrer und Beifahrer – die Wärmeverteilung ist hier bedarfsgerecht geregelt und Verlustenergie wird vermieden. Gesteuert wird der in Schutzart IP67 ausgeführte Zuheizer über einen Hochleistungs-CAN-Bus (Controller Area Network).

PTC-Komponenten (temperaturempfindliche, nichtlineare Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten) stellen die Kerntechnologie des Luftheizers dar. Wahrend sie bei niedrigen Oberflächentemperaturen zuverlässig arbeiten, eine hohe Heizleistung abliefern, geringen elektrischen Widerstand aufweisen und hohen Stromfluss ermöglichen, kehrt sich der Effekt bei steigenden Temperaturen um. Der Stromfluss wird dann durch den steigenden Widerstand der Keramiksteine reduziert und das System setzt weniger Warme frei – es reguliert sich also selbst und verhindert Überhitzen.

Schlussfolgerung

Wenn die nutzbare Abwärme des Verbrennungsmotors begrenzt ist oder gar gänzlich fehlt, stellt das Heizen des Fahrzeuginnenraums eine Herausforderung dar. Aufgrund der fortschreitenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs werden elektrische Zuheizer bald unabdingbar sein. BorgWarner bietet mit seinen fortschrittlichen Hochvolt-Zuheizsystemen Fahrzeugherstellern rund um den Globus nicht nur eine intelligente Lösung für höhere batteriebetriebene Reichweiten, sondern auch einen sicheren und jederzeit komfortabel klimatisierten Innenraum fur Hybrid- und Elektrofahrzeuge.

Link:

BorgWarner

 

Quelle:

OEM&Lieferant, Ausgabe 2/2018