Wie wichtig sind Elektro- und Hybridtechnologien für die Werkstatt?
THERMOMANAGEMENT IN ELEKTRO- UND HYBRIDFAHRZEUGEN
Hier finden Sie nützliches Grundlagenwissen und Praxis-Tipps zum Thema Thermomanagement in Elektro- und Hybridfahrzeugen.
Die folgenden Informationen geben Ihnen einen Überblick über die jeweiligen Elektro- und Hybrid-Technologien. Von den Grundlagen und Systemeigenschaften über Lösungen für das Thermomanagement bis hin zu Besonderheiten zum Thema: Wartung, Reparatur und Abschleppen. Darüber hinaus finden Sie hier wichtige Informationen darüber, welche Qualifikationen für die jeweiligen Arbeiten erforderlich sind.
Wichtiger Sicherheitshinweis
Die nachfolgenden technischen Informationen und Tipps für die Praxis wurden von HELLA erstellt, um Kfz-Werkstätten in ihrer Arbeit professionell zu unterstützen. Die hier auf dieser Webseite bereitgestellten Informationen sollen nur von einschlägig ausgebildetem Fachpersonal genutzt werden.
INHALTSVERZEICHNIS
WIE WICHTIG SIND ELEKTRO- UND HYBRIDTECHNOLOGIEN FÜR DIE WERKSTATT?: EINFÜHRUNG
Weltweit wurden 2018 erstmals mehr als 2 Millionen Elektroautos und Plug-in-Hybride verkauft. Mit 2,1 Millionen verkauften Fahrzeugen ist ihr Marktanteil damit auf 2,4 Prozent aller Neuzulassungen gestiegen - Tendenz steigend. (Center of Automotive Management)
In Norwegen z.B. liegt der Marktanteil sogar bereits bei 50%!
Das Wachstum der Elektro- und Hybridmobilität wird nach Ansicht der Internationalen Energieagentur (IEA) vor allem durch Regierungsprogramme wie Verkaufsprämien, lokale Fahrverbote für Autos mit Verbrennungsmotoren oder Vorgaben für saubere Luft getrieben. Die Behörde schätzt E-Fahrzeuge als eine von mehreren aktuellen Antriebstechniken ein, mit denen sich langfristig die Nachhaltigkeitsziele zur Emissionsreduzierung erreichen lassen. Laut einer Studie der Managementberatung Pricewaterhouse-Coopers könnte 2030 jeder dritte in Europa neu zugelassene Neuwagen ein Elektroauto sein.
Somit ist es keine Frage mehr ob sich Fahrzeuge mit Elektro-, Hybrid-, oder auch Wasserstoff-Technologien wirklich durchsetzen werden. Sie gehören bald zum alltäglichen Bild auf unseren Straßen werden.
Auch diese Fahrzeuge müssen gewartet und repariert werden, hierbei wird das Thema Thermomanagement an Komplexität gewinnen. Die Temperierung von Batterie und Leistungselektronik spielt hierbei eine genauso wichtige Rolle wie das Heizen und Kühlen des Fahrzeug-Innenraums. Komponenten der Klimatisierung werden auch bei diesen Antriebsformen benötigt-wobei die Bedeutung sogar noch zunimmt, da die Klimaanlage oftmals direkt oder indirekt Einfluss auf die Kühlung der Batterien und Elektronik hat. Das Thema „Klima-Wartung“ spielt somit künftig eine noch wichtigere Rolle.
ÜBERSICHT DER HYBRID-TECHNOLOGIEN: VERGLEICH
Der Begriff „Hybrid“ als solches bedeutet so viel wie Mischung oder Kombination. In der Fahrzeugtechnik meint er, dass in einem Fahrzeug ein Verbrennungsmotor mit herkömmlicher Antriebstechnik mit den Elementen eines Elektrofahrzeuges kombiniert wurde.
Die Hybridtechnologie wird in drei Schritten technisch stetig anspruchsvoller: von Micro über Mild bis hin zur Full-Hybrid-Technologie. Trotz technischer Unterschiede haben alle Technologien gemeinsam, dass die verwendete Batterie durch Rückgewinnung von Bremsenergie aufgeladen wird.
Derzeit typische Vertreter der Full-Hybrid-Fahrzeuge sind der Toyota Prius, der BMW ActiveHybrid X6 (E72) oder der VW Touareg Hybrid. Hingegen sind der BMW ActiveHybrid 7 und der Mercedes S400 (F04) Beispiele für einen Mild-Hybrid.
| Micro-Hybrid | Mild-Hybrid | Full-Hybrid | |
|---|---|---|---|
| Leistung des Elektromotors / Generators | 2 – 3 KW (Bremskraftrückgewinnung durch Generator) |
10 – 15 KW | > 15 KW |
| Spannungsbereich | 12 V | 42 – 150 V | > 100 V |
| Erreichbare Kraftstoffersparnis im Vergleich zum konventionell angetriebenen Fahrzeug | < 10 % | < 20 % | > 20 % |
| Funktionen, die zur Kraftstoffeinsparung beitragen | – Start-Stopp-Funktion – Rekuperation |
– Start-Stopp-Funktion – Boost Funktion – Rekuperation |
– Start-Stopp-Funktion – Boost Funktion – Rekuperation – Elektrisches Fahren |
Wie aus der Übersicht erkenntlich ist, verfügt jede der Technologien über verschiedene Funktionen, die zur Kraftstoffeinsparung beitragen. Diese vier Funktionen werden im Folgenden kurz dargestellt.
Start Stopp Funktion
Kommt das Fahrzeug zum Stehen, etwa an einer Ampel oder im Stau, schaltet sich der Verbrennungsmotor aus. Wird die Kupplung zum Anfahren betätigt und der erste Gang eingelegt, startet der Verbrennungsmotor automatisch. Somit steht er direkt zur Weiterfahrt zur Verfügung.
Fahrzeug stoppt – Motor schaltet sich automatisch ab.
Kupplung betätigen, Gang einlegen – Motor startet automatisch.
Rekuperation
Rekuperation ist die Technik, mit der ein Teil der Bremsenergie wiedergewonnen wird. Normalerweise würde diese Energie beim Abbremsen als Wärmeenergie verloren gehen. Bei der Rekuperation hingegen wird der Generator des Fahrzeugs als Motorbremse eingesetzt – zusätzlich zu den normalen Radbremsen.
Die durch den Generator beim Verlangsamen erzeugte Energie wird in den Stromspeicher (Batterie) gespeist. Dieser Prozess steigert gezielt das Schleppmoment des Motors und verlangsamt so das Fahrzeug.
Abbremsendes Fahrzeug – Ladung der Batterie mit erhöhter Leistung
Boost Funktion
Während der Beschleunigungsphase addieren sich die zur Verfügung stehenden Drehmomente des Verbrennungs- und Elektromotors. Somit kann ein Hybridfahrzeug schneller beschleunigen als ein vergleichbares konventionell angetriebenes Fahrzeug.
Die Boost-Funktion dient der Unterstützung beim Anfahren und zur größeren Kraftentfaltung beim Überholen. Diese Kraft wird durch einen elektrischen Hilfsantrieb erzeugt, der sie ausschließlich für diese beiden Einsatzzwecke bereitstellt. Als Beispiel: beim VW Touareg Hybrid bedeutet das ein Leistungsplus von 34 KW.
Boost Funktion – Verbrennungs- und Elektromotor treiben das Fahrzeug an
Elektrisches Fahren
Wird eine geringe Antriebsleistung benötigt, wie beispielsweise im Stadtverkehr, dient nur der Elektromotor als Antriebsaggregat. Der Verbrennungsmotor ist abgeschaltet. Als Vorteile dieser Antriebsart ergeben sich dann: kein Benzinverbrauch und keine Emissionen.
Mit diesen Technologien im Fahrzeug ergeben sich auch veränderte Voraussetzungen, die Sie in der täglichen Arbeit beachten müssen.
Elektrisches Fahren – alleiniger Antrieb durch den Elektromotor
Elektrische Spannung im Bordnetz
Die Anforderungen und Leistungen, die der elektrische Antrieb eines Elektro-/ Hybridfahrzeugs erfüllen muss und erbringen soll, sind mit den Spannungsbereichen von 12 bzw. 24 Volt nicht zu bewerkstelligen. Hier sind bedeutend höhere Spannungsbereiche notwendig.
Fahrzeuge mit Hochvoltsystemen sind Fahrzeuge, die mit Spannungen von 30 Volt bis 1000 Volt AC (Wechselspannung) oder 60 V bis 1500 V DC (Gleichspannung), Antrieb und Nebenaggregate betreiben. Dies betrifft die meisten Elektro- und Hybridfahrzeuge
HOCHVOLTSYSTEME IN ELEKTROFAHRZEUGEN: FUNKTION
Laut Definition ist ein Elektrofahrzeug ein Kraftfahrzeug, welches von einem Elektromotor angetrieben wird. Die nötige elektrische Energie zu seiner Fortbewegung wird aus einer Antriebsbatterie (Akkumulator) bezogen, d. h. nicht aus einer Brennstoffzelle oder einem Reichweitenverlängerer (range extender). Da das Elektroauto im Betrieb selbst keine relevanten Schadstoffe emittiert, wird es als emissionsfreies Fahrzeug eingestuft.
Beim Elektrofahrzeug werden die Räder über Elektromotoren angetrieben. Die Elektroenergie wird in Akkumulatoren, in Form von einer oder mehreren Antriebs- bzw Versorgungsbatterien gespeichert.
Die elektronisch gesteuerten Elektromotoren können ihr maximales Drehmoment schon im Stillstand abgeben. Sie brauchen, anders als Verbrennungsmotoren, in der Regel kein Schaltgetriebe und können bereits im unteren Geschwindigkeitsbereich stark beschleunigen. Elektromotoren sind leiser als Otto- oder Dieselmotoren, fast vibrationsfrei und emittieren keine schädlichen Abgase. Ihr Wirkungsgrad ist mit mehr als 90% sehr hoch.
Der Einsparung an Gewicht durch den Wegfall der verschiedenen Baugruppen (Motor, Getriebe, Tank) des Verbrennungsmotors steht das relativ hohe Gewicht der Akkumulatoren gegenüber. Elektrofahrzeuge sind daher meist schwerer als entsprechende Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Die Kapazität der Batterie(n) hat einen hohen Einfluss auf das Fahrzeuggewicht und den Preis.
In der Vergangenheit hatten Elektrofahrzeuge geringe Reichweiten mit einer Akkuladung. Neuerdings jedoch steigt die Zahl der Elektroautos, die Reichweiten von mehreren hundert Kilometern erreichen können, so z. B.: Tesla Model S, VW e-Golf, Smart electric drive, Nissan Leaf, Renault ZOE, BMW i3.
Um die Reichweiten von Elektrofahrzeugen weiter zu steigern, werden mitunter Zusatzgeräte (meistens in Form eines Verbrennungsmotors) zur Erzeugung von elektrischem Strom eingesetzt. Hierbei spricht man dann vom sogenannten „Reichweitenverlängerer“ „bzw. Range Extender.“
VIDEO ZUM THEMA
Fahrzeuge mit Hochvoltsystemen: Sicherheitshinweise und Komponente
Das Video zeigt beispielhaft Komponenten eines Elektro-Fahrzeugs und gibt Hinweise zum Umgang mit hochspannungsführenden Systemen
Klimatisierung und Kühlung in Elektro-Fahrzeugen
Damit ein Elektro-Fahrzeug mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann ist es notwendig, die Temperatur des E-Motors, der Leistungselektronik und der Batterie in einem wirkungsgradoptimalen Temperaturbereich zu halten. Um dies zu gewährleisten, bedarf es eines ausgeklügelten Thermo-Management-Systems:
Kältemittelbasierendes System (bzw. direkte Batteriekühlung)
Kältemittelbasierender Kreislauf
Der Kreislauf des kältemittelbasierenden Systems besteht aus den Hauptkomponenten: Kondensator, Verdampfer und Batterieeinheit (Batteriezellen, Kühlplatte und elektrischer Zuheizer). Er wird vom Kältemittelkreislauf der Klimaanlage versorgt und über Ventile und Temperatursensoren separat gesteuert. Die Beschreibung der Funktionsweise der einzelnen Komponenten befindet sich in der Erklärung zur Darstellung des Kühl- und Kältemittelbasierenden Systems (b).
Kühl- und Kältemittelbasierender Kreislauf (bzw. indirekte Batteriekühlung)
Kühl- und Kältemittelbasierender Kreislauf
Je leistungsstärker die Batterien ausgelegt sind, desto mehr macht der Einsatz des vergleichsweise komplexen Kühl- und Kältemittelbasierenden Kreislaufs Sinn.
Das gesamte Kühlsystem unterteilt sich in mehrere Kreisläufe, die über je einen eigenen Kühler (Niedertemperaturkühler), eine Kühlmittel-Pumpe, Thermostat und Kühlmittel-Absperrventil verfügen. Über einen besonderen Wärmetauscher (Chiller) wird hierbei auch noch der Kältemittelkreislauf der Klimaanlage mit eingebunden. Ein Hochvolt-Kühlmittel-Heizer sorgt für eine ausreichende Temperierung der Batterie bei niedrigen Außentemperaturen.
Die Temperatur des Kühlmittels für den E-Motor und der Leistungselektronik wird in einem gesonderten Kreislauf (innerer Kreislauf der Grafik) mit Hilfe eines Niedertemperaurkühlers auf unter 60 °C gehalten. Um die volle Leistung zu erzielen und eine möglichst lange Lebensdauer zu gewährleisten ist es notwendig, die Kühlmittel-Temperatur der Batterie stets zwischen ca. 15 °C und 30 °C zu halten. Bei zu niedrigen Temperaturen wird das Kühlmittel über einen Hochvolt-Zuheizer erwärmt. Bei zu hohen Temperaturen wird es über einen Niedertemperaturkühler abgekühlt. Sollte dies nicht ausreichen, wird mittels eines Chillers, der sowohl im Kühlmittel-, als auch im Kältemittelkreislauf, eingebunden ist, das Kühlmittel weiter heruntergekühlt. Dabei durchströmt das Kältemittel der Klimaanlage den Chiller und kühlt, das ebenfalls durch den Chiller durchströmende Kühlmittel, weiter ab. Die gesamte Regelung erfolgt mit Hilfe von einzelnen Thermostaten, Sensoren, Pumpen und Ventilen.
Kühl- und Kältemittelbasierender Kreislauf
Der Kühl- und Kältemittelbasierende Kreislauf für E-Fahrzeuge ist sehr komplex. Dabei unterteilt sich das gesamte Kühlsystem in mehrere Kreisläufe, welche hier genauer erklärt werden.
Komponentenbeschreibung
Klimatisierung
Elektrische Antriebe geben wegen ihres hohen Wirkungsgrades im Betrieb nur wenig und im Stand gar keine Verlustwärme an die Umgebung ab. Um das Auto bei niedrigen Außentemperaturen beheizen oder die Scheiben entfrosten zu können, sind daher Zusatzheizungen notwendig. Diese stellen zusätzlichen Energieverbraucher dar und fallen durch ihren hohen Energieverbrauch jedoch sehr stark ins Gewicht. Sie beanspruchen einen Teil der im Akku gespeicherten Energie, was sich speziell im Winter erheblich auf die Reichweite auswirkt. Elektrische Zuheizer die im Lüftungssystem integriert sind, stellen eine einfache, wirkungsvolle aber auch sehr energieintensive Form dar. Mittlerweile werden daher auch ernergieeffiziente Wärmepumpen eingesetzt. Sie lassen sich im Sommer auch als Klimaanlage zur Kühlung nutzen. Sitzheizungen und beheizte Scheiben bringen die Wärme direkt an die zu wärmenden Stellen und reduzieren so ebenfalls den Heizwärmebedarf für den Innenraum. Elektroautos verbringen die Standzeiten oft an Ladestationen. Dort kann das Fahrzeug vor Fahrtbeginn vortemperiert werden ohne den Akku zu belasten. Unterwegs wird dann deutlich weniger Energie für das Heizen oder Kühlen benötigt. Mittlerweile werden auch Smartphone-Apps angeboten, mit denen sich die Heizung fernsteuern lässt.
Lade- und Entlademanagement
Für die Akkumulatoren werden unterschiedliche Managementsysteme verwendet, die die Lade- und Entladesteuerung, Temperaturüberwachung, Reichweitenabschätzung und Diagnose übernehmen. Die Haltbarkeit hängt wesentlich von den Einsatzbedingungen und der Einhaltung der Betriebsgrenzen ab. Batteriemanagementsysteme inklusive Temperaturmanagement verhindern die schädliche und eventuell sicherheitskritische Überladung oder Tiefentladung der Akkumulatoren und kritische Temperaturzustände. Die Überwachung jeder einzelnen Batterie-Zelle erlaubt es zu reagieren bevor es zu einem Ausfall oder der Schädigung weitere Zellen kommt. Statusinformation können für Wartungszwecke auch abgespeichert und im Fehlerfall entsprechende Meldungen an den Fahrer ausgegeben werden.
Grundsätzlich gilt, dass heute die Batteriekapazität der meisten Elektroautos für den Großteil aller Kurz- und Mittelstreckendiestanzen ausreicht. So kam eine 2016 erschienene Studie des Massachusetts Institute of Technology zu dem Ergebnis, dass die Reichweite aktuell üblicher Elektroautos für 87% aller Fahrten ausreichend ist. Jedoch sind die Reichweiten stark schwankend. Die Geschwindigkeit des E-Fahrzeugs, die Außentemperatur und besonders die Nutzung von Heizung und Klimaanlage führen zu einer bedeutenden Senkung der Aktionsradien. Die immer kürzeren Aufladezeiten und der stetige Ausbau der Ladeinfrastruktur ermöglichen es jedoch die Aktionsradien der Elektroautos weiter zu erhöhen.
GRUNDREGEL BEI ARBEITEN AN ELEKTRO- UND HYBRIDFAHRZEUGEN: PRAXIS-TIPPS
In Elektro- und Hybridfahrzeugen werden zwangsläufig Hochvolt-Komponenten verbaut. Diese sind durch einheitliche Warn-Hinweisschilder gekennzeichnet. Zusätzlich sind alle Hochvoltleitungen herstellerübergreifend mit leuchtendem Orange ausgeführt.
Bei Arbeiten an Fahrzeugen mit Hochvoltsystemen gilt die folgende Vorgehensweise:
1. Spannungsfrei schalten
2. Gegen Wiedereinschalten sichern
3. Spannungsfreiheit feststellen
Beachten Sie die Vorgaben der Fahrzeughersteller und unsere Werkstatt-Tipps!
Worauf muss ich als Werkstatt(-mitarbeiter) achten?
- Fahrzeug starten und bewegen: Um ein Fahrzeug mit Hochvoltsystem fahren zu dürfen – und sei es nur aus oder in die Werkstatt- bedarf es einer Unterweisung der jeweiligen Person
- Service und Wartung: Service- und Wartungsarbeiten (Räder wechseln, Inspektionsarbeiten) an Hochvoltfahrzeugen dürfen nur von Personen durchgeführt werden, die zuvor durch einen „Fachkundigen für Arbeiten an HV eigensicheren Fahrzeugen“ auf die Gefahren dieser Hochvolt-Systeme hingewiesen und entsprechend unterwiesen wurde
- Austauschen von Hochvolt-Komponenten: Personen die Hochvolt-Komponenten wie z.B. einen Klima-Kompressor austauschen, müssen über die entsprechende Befähigung verfügen (Fachkundigen für Arbeiten an HV eigensicheren Fahrzeugen)
- Austausch der Batterie: Die Reparatur bzw. der Austausch von spannungsführenden Hochvolt-Komponenten (Batterie) bedarf einer gesonderten Befähigung.
- Pannenhilfe / Abschleppen / Bergen: Wer an Fahrzeugen mit Hochvoltsystemen Pannenhilfe leistet oder diese abschleppt oder auch birgt, muss eine Unterweisung in den Aufbau und die Funktionsweise der Fahrzeuge und deren Hochvoltsystemen erhalten haben. Des Weiteren sind vorab die jeweiligen Hinweise der Fahrzeughersteller zu berücksichtigen. Bei beschädigten Hochvolt-Komponenten (Batterie) sollte die Feuerwehr hinzugezogen werden
INNENRAUMKLIMATISIERUNG: GRUNDLAGEN
Bei herkömmlichen Antriebskonzepten mit Verbrennungsmotor ist die Innenraumklimatisierung auf Grund des mechanisch angetriebenen Kompressors direkt vom Betrieb des Motors abhängig. Auch in Fahrzeugen, die in Fachkreisen als Micro-Hybrid bezeichnet werden und lediglich eine Start-Stopp-Funktion besitzen, werden Kompressoren mit Riementrieb eingesetzt. Daraus ergibt sich die Problematik, dass bei einem Fahrzeugstillstand und ausgeschaltetem Motor schon nach 2 Sekunden die Temperatur am Verdampferaustritt der Klimaanlage ansteigt. Die damit einhergehende langsame Erhöhung der Ausblastemperatur der Lüftung, sowie die Zunahme der Luftfeuchtigkeit wird von den Fahrzeuginsassen als störend empfunden.
Um diesem Problem zu begegnen, können neuentwickelte Kältespeicher zum Einsatz kommen, sogenannte Speicherverdampfer.
Der Speicherverdampfer besteht aus zwei Blöcken: einem Verdampfer- und einem Speicherblock. Beide Blöcke werden in der Start-Phase bzw. bei laufendem Motor mit Kältemittel durchströmt. Ein sich im Verdampfer befindliches Latentmedium wird währenddessen so weit gekühlt, dass es gefriert. Damit wird es zum Kältespeicher.
In der Stopp-Phase ist der Motor ausgeschaltet und der Kompressor wird folglich nicht angetrieben. Die am Verdampfer vorbeiströmende Warmluft kühlt sich ab und es findet ein Wärmeaustausch statt. Dieser Austausch läuft so lange ab, bis das Latentmedium vollständig abgeschmolzen ist. Nach Wiederaufnahme der Fahrt beginnt der Prozess von neuem, so dass bereits nach einer Minute der Speicherverdampfer wieder Luft kühlen kann.
Bei Fahrzeugen ohne einen Speicherverdampfer ist es bei sehr warmem Wetter schon nach kurzer Standzeit notwendig, den Motor wieder zu starten. Nur auf diese Weise kann dann die Innenraumkühlung aufrechterhalten werden.
Zur Innenraumklimatisierung des Fahrzeugs gehört ebenso das Beheizen der Fahrgastzelle im Bedarfsfall. Bei Full-Hybrid Fahrzeugen wird in der Phase des elektrischen Fahrens der Verbrennungsmotor abgeschaltet. Die vorhandene Restwärme im Wasserkreislauf reicht für die Beheizung des Innenraumes nur für kurze Zeit aus. Als Unterstützung werden dann Hochvolt-Luft-Zuheizer zugeschaltet, die die Heizungsfunktion übernehmen. Die Arbeitsweise ist ähnlich der eines Haarföns: die vom Innenraumluftgebläse angesaugte Luft wird beim Vorbeistreifen an den Heizelementen erwärmt und strömt danach in den Innenraum
Speicherverdampfer
Schematische Darstellung – Speicherverdampfer: 1 Verdampferblock mit 40 mm Tiefe, 2 Speicherblock 15 mm Tiefe, 3 Kältemittel, 4 Latentmedium, 5 Blindniet
HOCHVOLT-KOMPRESSOR: FUNKTION
Funktion des Hochvoltkompressors
In Fahrzeugen mit Full-Hybrid-Technologie werden elektrische Hochvolt-Kompressoren eingesetzt, die nicht in Abhängigkeit vom Betrieb des Verbrennungsmotors stehen. Durch dieses neuartige Antriebskonzept werden Funktionen möglich, die zu einer weiteren Komforterhöhung im Bereich der Fahrzeugklimatisierung führen.
Es besteht die Möglichkeit, den aufgeheizten Innenraum vor Fahrtantritt auf die gewünschte Temperatur vorzukühlen. Die Ansteuerung ist durch eine Fernbedienung möglich.
Diese Standkühlung kann nur in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Batteriekapazität erfolgen. Der Kompressor wird dabei unter Berücksichtigung der zur Klimatisierung nötigen Anforderungen mit der kleinstmöglichen Leistung angesteuert.
Bei den derzeit verwendeten Hochvolt-Kompressoren erfolgt die Leistungsregelung durch eine entsprechende Drehzahlanpassung in Stufen von 50 min-1. Daher kann auf eine interne Leistungsregelung verzichtet werden.
Im Gegensatz zum Taumelscheibenprinzip, das im Bereich der riemengetriebenen Kompressoren vorrangig eingesetzt wird, kommt bei den Hochvolt-Kompressoren das Scrollprinzip zur Verdichtung des Kältemittels zum Einsatz. Die Vorteile sind eine Gewichtsersparnis von ca. 20 % und eine Verringerung des Hubraums um den gleichen Betrag bei identischer Leistung.
Um das entsprechend große Drehmoment für den Antrieb des elektrischen Kompressors zu erzeugen, kommt hier eine Gleichspannung von über 200 Volt zur Anwendung – eine im Kraftfahrzeugbereich sehr hohe Spannung. Der in der Elektromotoreinheit integrierte Inverter wandelt diese Gleichspannung in die vom bürstenlosen Elektromotor benötigte dreiphasige Wechselspannung um. Die notwendige Wärmeableitung des Inverters und der Motorwicklungen wird durch die Durchströmung des Kältemittelrückflusses zur Saugseite ermöglicht.
TEMPERATURMANAGEMENT DER BATTERIE: VERGLEICH
Essentiell für den Betrieb eines Elektro- und Hybridfahrzeuges ist die Batterie. Diese muss die notwendigen erheblichen Energiemengen für den Antrieb schnell und zuverlässig bereitstellen. Zumeist sind dies Lithium-Ionen- und Nickel-Metall-Hybrid-Hochspannungsbatterien. Damit werden Größe und Gewicht der Hybrid- Fahrzeugbatterien weiter reduziert.
Es ist unbedingt erforderlich, dass die verwendeten Batterien in einem bestimmten Temperaturfenster betrieben werden. Ab einer Betriebstemperatur von +40° C verringert sich die Lebensdauer, während unterhalb von -10° C der Wirkungsgrad nachlässt und die Leistung sinkt. Darüber hinaus darf der Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Zellen einen bestimmten Wert nicht überschreiten.
Kurzzeitige Spitzenbelastungen in Verbindung mit hohen Strömen wie Rekuperation und Boosten führen zu einer nicht unerheblichen Erwärmung der Zellen. Zusätzlich tragen hohe Außentemperaturen in den Sommermonaten dazu bei, dass die Temperatur schnell den kritischen Wert von 40° C erreicht.
Die Folge einer Temperaturüberschreitung ist die schnellere Alterung und der damit einhergehende verfrühte Ausfall der Batterie. Fahrzeughersteller streben eine rechnerische Batterielebensdauer von 1 Autoleben an (ca. 8-10 Jahre). Daher kann dem Alterungsprozess nur mit entsprechendem Temperaturmanagement entgegen gewirkt werden.
Bisher kommen drei verschiedene Möglichkeiten des Temperaturmanagements zur Anwendung.
Möglichkeit 1
Luft wird aus dem klimatisierten Fahrzeug-Innenraum angesaugt und zum Kühlen der Batterie genutzt. Die angesaugte kühle Luft aus dem Fahrzeug-Innenraum hat eine Temperatur kleiner als 40° C. Diese Luft wird genutzt, um die frei zugänglichen Flächen des Batteriepaketes zu umströmen.
Nachteile dieser Möglichkeit sind:
- Die geringe Kühlungseffektivität.
- Die angesaugte Luft aus dem Innenraum kann nicht zu einer gleichmäßigen Temperaturreduzierung genutzt werden.
- Der erhebliche Aufwand zur Luftführung.
- Eventuell störende Geräusche im Innenraum durch das Gebläse.
- Durch die Luftkanäle besteht eine direkte Verbindung des Fahrgastraumes mit der Batterie. Dies ist aus Sicherheitsgründen (z.B. Ausgasen der Batterie) als problematisch einzustufen.
- Nicht zu unterschätzen ist die Gefahr des Schmutzeintrages in das Batteriepaket, da die Luft aus dem Innenraum auch Staub beinhaltet. Der Staub lagert sich zwischen den Zellen ab und bildet in Verbindung mit kondensierter Luftfeuchtigkeit einen leitenden Belag. Dieser Belag begünstigt die Entstehung von Kriechströmen in der Batterie.
Um diese Gefahr zu umgehen, wird die angesaugte Luft gefiltert. Alternativ kann die Luftkühlung auch durch ein separates Kleinklimagerät erfolgen, ähnlich den separaten Fondklimaanlagen in Oberklassefahrzeugen.
Möglichkeit 2
Eine spezielle, in der Batteriezelle eingeschlossene Verdampferplatte wird an die im Fahrzeug vorhandene Klimaanlage angeschlossen. Dies erfolgt im sogenannten Splittingverfahren an der Hochdruck- und Niederdruckseite über Rohrleitungen und ein Expansionsventil. Damit sind der Innenraumverdampfer und die Verdampferplatte der Batterie, die wie ein herkömmlicher Verdampfer funktioniert, an ein und demselben Kreislauf angeschlossen.
Durch die unterschiedlichen Aufgaben der beiden Verdampfer ergeben sich entsprechend unterschiedliche Anforderungen an den Kältemitteldurchfluss. Während die Innenraumkühlung den Komfortansprüchen der Fahrgäste genügen soll, muss die Hochvoltbatterie, je nach Fahrsituation und Umgebungstemperatur, mehr oder weniger stark gekühlt werden.
Aus diesen Anforderungen heraus resultiert die aufwändige Regelung der Menge des verdampften Kältemittels. Die besondere Bauform der Verdampferplatte und die damit ermöglichte Integration in die Batterie bietet eine große Kontaktoberfläche zum Wärmeaustausch. Damit kann gewährleistet werden, dass die kritische obere Maximaltemperatur von 40° C nicht überschritten wird.
Bei sehr niedrigen Außentemperaturen wäre eine Temperaturerhöhung auf die Idealtemperatur der Batterie von mind. 15° C nötig. Allerdings kann die Verdampferplatte in dieser Situation keinen Beitrag leisten. Eine kalte Batterie ist weniger leistungsfähig als eine wohltemperierte und kann bei Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt kaum noch geladen werden. Im Mild- Hybrid kann man dies tolerieren: im Extremfall steht die Hybridfunktion nur eingeschränkt zur Verfügung. Fahren mit dem Verbrennungsmotor ist dennoch möglich. Im reinen Elektrofahrzeug dagegen wird man eine Batterieheizung vorsehen müssen, um im Winter in jeder Situation starten und fahren zu können.
Hinweis
Verdampferplatten, die direkt in die Batterie integriert sind, können nicht einzeln ersetzt werden. Daher muss im Schadensfall stets die gesamte Batterie ausgetauscht werden.
Möglichkeit 3
Bei Batterien mit größerer Kapazität spielt die richtige Temperierung eine zentrale Rolle. Daher ist bei sehr niedrigen Temperaturen eine zusätzliche Beheizung der Batterie notwendig, um sie in den idealen Temperaturbereich zu bringen. Nur in diesem Bereich kann eine zufriedenstellende Reichweite im Modus „Elektrisches Fahren“ erreicht werden.
Um diese zusätzliche Beheizung durchzuführen, wird die Batterie in einen Sekundärkreislauf eingebunden. Dieser Kreislauf stellt sicher, dass die ideale Betriebstemperatur von 15° C – 30° C dauerhaft gehalten wird.
Im Batterieblock wird eine eingebaute Kühlplatte mit Kühlmittel durchflossen, das sich aus Wasser und Glycol zusammensetzt (grüner Kreislauf). Bei niedrigen Temperaturen kann das Kühlmittel über eine Heizung schnell aufgeheizt werden, um die Idealtemperatur zu erreichen. Kommt es während der Benutzung der Hybridfunktionen zu einem Temperaturanstieg in der Batterie, wird die Heizung abgeschaltet. Das Kühlmittel kann dann durch den sich in der Fahrzeugfront befindlichen Batteriekühler bzw. Niedertemperatur-Kühler mittels Fahrtwind gekühlt werden.
Reicht die Kühlung durch den Batteriekühler bei hohen Außentemperaturen nicht aus, durchströmt das Kühlmittel einen speziellen Wärmetauscher. In diesem wird Kältemittel der Fahrzeugklimaanlage verdampft. Außerdem kann Wärme sehr kompakt und mit hoher Leistungsdichte aus dem Sekundärkreislauf auf das verdampfende Kältemittel übertragen werden. Es erfolgt eine zusätzliche Rückkühlung des Kühlmittels. Durch den Einsatz des speziellen Wärmetauschers kann die Batterie im wirkungsgradoptimalen Temperaturfenster betrieben werden.
ERFORDERLICHE WEITERBILDUNG FÜR DIE REPARATUR VON ELEKTRO- UND HYBRIDFAHRZEUGE: WISSENSWERTES
Um die komplexen Systeme, insbesondere auch für das Thermo Management, in Elektro- und Hybridfahrzeugen warten und reparieren zu können, ist eine permanente Weiterbildung unerlässlich. Mitarbeiter, die Arbeiten an solchen Hochvolt-Systemen durchführen, benötigen beispielsweise in Deutschland eine zusätzliche 2-tägige Ausbildung als „Fachkundiger für Arbeiten an Hochvolt (HV) eigensicheren Fahrzeugen“.
Durch die dort erlangten Kenntnisse ist es möglich, zum einen die Gefährdung bei erforderlichen Arbeiten am System einzuschätzen, zum anderen die Spannungsfreiheit für die Dauer der Arbeiten herzustellen. Ohne eine entsprechende Schulung ist es untersagt, Arbeiten an Hochvolt-Systemen bzw. deren Komponenten vorzunehmen. Die Reparatur bzw. der Austausch von spannungsführenden Hochvolt-Komponenten (Batterie) bedarf einer gesonderten Befähigung.
WARTUNG VON ELEKTRO- UND HYBRIDFAHRZEUGEN: WERKSTATT-TIPPS
Auch bei allgemeinen Inspektions- und Reparaturarbeiten (wie beispielsweise an Auspuffanlagen, Reifen, Stoßdämpfern, Ölwechsel, Reifenwechsel, etc.) kommt es zu einer besonderen Situation. Diese dürfen nur von Mitarbeitern ausgeführt werden, die durch einen „Fachkundigen für Arbeiten an HV eigensicheren Fahrzeugen“
auf die Gefahren dieser Hochvolt-Systeme hingewiesen und entsprechend unterwiesen wurden. Des Weiteren müssen zwingend Werkzeuge eingesetzt werden, die den Spezifikationen der Fahrzeughersteller entsprechen!
KFZ-Betriebe sind dazu angehalten alle Mitarbeiter die mit dem Betrieb, der Wartung und Reparatur von Elektro- und Hybridfahrzeugen zu tun haben, zu unterweisen. Bitte beachten Sie die jeweiligen länderspezifischen Gegebenheiten.
Werkzeuge für Arbeiten am Hochvoltsystem
PANNENHILFE, ABSCHLEPPEN UND BERGEN VON ELEKTRO- UND HYBRIDFAHRZEUGEN: WERKSTATT-TIPPS
Fahrer und Fahrerinnen von Fahrzeugen mit Hochvoltsyste¬men (HV) sind keiner direkten elektrischen Gefährdung ausgesetzt – auch nicht im Falle einer Panne. Eine Vielzahl von Maßnahmen der Fahrzeughersteller sichern das HV-System ab.
Auch die Pannenhilfe ist bei Fahrzeugen mit HV-Systemen ungefährlich, solange wie zur Beseitigung von Störungen keine Eingriffe in die HV-Anlage notwendig werden.
Gefahren bestehen jedoch Im Falle einer Pannenhilfe oder beim Abschleppen von Fahrzeugen, die durch einen Unfall beschädigt sind oder aus Schnee sowie Wasser gebor¬gen werden müssen. Die Eigensicherheit der Fahrzeuge zum Schutz vor Gefährdungen durch Stromschlag oder Lichtbogen ist zwar sehr hoch, jedoch gibt es keine vollständige bzw. 100%-ige Sicherheit für jeden Schadensfall. Im Zweifelsfall müssen die jeweiligen Informationen der Fahrzeughersteller berücksichtigt bzw. erfragt werden.
Wie erkenne ich, dass das Fahrzeug über ein Hochvolt-System verfügt?
- An dem Schriftzug am Armaturenbrett oder am Fahrzeug
- An orangefarbenen Hochvoltkabeln (siehe Abbildung). Generell gilt: Hände weg von Hochvoltkomponenten und orangefarbenen Leitungen
- An der Kennzeichnung auf den HV-Komponenten (siehe Abbildung)
Motorraum Hochspannungskomponenten
Wer darf Pannenhilfe leisten?
Pannenhilfe an Elektro- und Hybridfahrzeugen darf leisten, wer speziell dafür qualifiziert wurde. Pannenhelfende erhalten deswegen eine Unterweisung in den Aufbau und die Funktionsweise von Fahrzeugen mit Hochvoltsystemen. Hierbei gelten die jeweils länderspezifischen Anforderungen und Bedingungen für nicht elektrotechnische Arbeiten. (Für Deutschland gilt die DGUV Information 200-005 „Qualifizierung für Arbeiten an Fahrzeugen mit Hochvoltsystemen“ (bisher BGI 8686). Bitte beachten Sie die jeweiligen länderspezifischen Gegebenheiten.)
Erste Schritte bei der Pannenhilfe?
- Zündschlüssel abziehen (Achtung: Transpondersysteme schalten sich automatisch bei Annäherung ein) und danach Trennstecker / Disconnector der Hochvoltbatterie ziehen.
- Sichtprüfung, ob HV-Komponenten beschädigt sind.
- Keine Arbeiten an den HV-Komponenten. Diese dürfen nur Personen durchführen, die für Arbeiten an Fahrzeugen mit Hochvoltsystemen qualifiziert sind. Dies gilt auch dann, wenn bei der Pannenhilfe HV-Komponenten beschädigt oder Beschädigungen festgestellt werden.
- Eine Restspannung kann auch nach dem Ausschalten des HV-Systems vorhanden sein – je nach Hersteller noch mehrere Minuten.
Trennstecker / Disconnector
Fremdstarten, Abschleppen und Bergen - Was ist zu beachten?
Verhalten beim Unfall
- Im Falle eines Unfalls wird das HV-System in den meisten Fällen mit der Auslösung des Airbags abgeschaltet. Dies gilt für fast alle Pkw, aber nicht unbedingt für Nutzfahrzeuge.
- Um gefährdungsfrei arbeiten zu können, sind alle Maßnahmen aus dem Kapitel „Grundregeln bei Arbeiten an Elektro- und Hybridfahrzeugen“ zu berücksichtigen
- Einige Hersteller empfehlen beziehungsweise schreiben vor, den Minuspol der 12/24 V DC Bordnetz-Batterie abzuklemmen (weitere Infos sind auch den jeweiligen Rettungsleitfäden zu entnehmen).
- Wenn HV-Batterien oder HV-Kondensatoren (Energiespeicher bei Nutzfahrzeugen) durch einen Unfall beschädigt oder herausgerissen wurden geht hiervon eine besondere Gefahr aus. Einsatzkräfte der Feuerwehr oder des THW sollten in diesem Fall zur Hilfe gerufen werden. Beim Hantieren mit beschädigten HV-Batterien ist eine entsprechende persönliche Schutzausrüstung (Gesichtsschutz, Schutzhandschuhe für das Arbeiten unter Spannung) erforderlich.
- Ausgelaufene Batterie-Flüssigkeiten können, je nach Batterietyp, ätzend oder reizend sein. Ein Kontakt sollte auf jeden Fall vermieden werden. Nach einem Unfall ist nicht auszuschließen, dass die HV-Batterien auch später noch durch interne Reaktionen in Brand geraten können. Unfallfahrzeuge sollten somit nicht in geschlossenen Räumen abgestellt werden.
Wie hilfreich ist dieser Artikel für Sie?
Gar nicht hilfreich
Sehr hilfreich