Thermomanagement in Hybridfahrzeugen

Hier finden Sie nützliches Grundlagenwissen und Praxis-Tipps zum Thema Thermomanagement in Hybridfahrzeugen.

Als Zwischenstufe zum reinen Elektrofahrzeug kommen immer mehr Modelle mit Hybrid-Technik auf den Markt. Diese erfordern neue Lösungen für die Innenraumklimatisierung und das Thermomanagement. Diese Seite bietet Ihnen einen guten Überblick zum Thema Hybridfahrzeuge: Von den Grundlagen und Systemeigenschaften über Lösungen für das Thermomangement bis hin zu den Besonderheiten bei Wartungs- und Reparaturarbeiten.

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 ausgebildeten Fachpersonal genutzt werden.

 

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.

MICRO-HYBRIDS

sind in der Regel mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor mit Start-Stopp-Automatik, sowie einer Bremsenergierückgewinnung (sog. Rekuperation) ausgerüstet.

 

MILD-HYBRIDS

hingegen sind zusätzlich mit einem kleinen Elektromotor und einer stärkeren Batterie ausgestattet. Der elektrische Hilfsantrieb wird ausschließlich für eine Unterstützung beim Anfahren und für eine größere Kraftentfaltung beim Überholen eingesetzt, dem so genannten „Boosten“.

 

FULL-HYBRIDS

können nicht nur „boosten“, sondern auch rein elektrisch fahren. Zu diesem Zweck sind sie mit einem kompletten elektrischen Antriebsstrang ausgestattet. Dieser benötigt allerdings eine viel stärkere Batterie als ein Mild-Hybrid.

Eine Option des Full-Hybrids ist der „Plug-in-Hybrid“. Dieser hat die Möglichkeit, die Akkus über Nacht aufzuladen. Der positive Nebeneffekt bei diesem Fahrzeugtypus ist es, dass sich zeitgleich die Fahrgastzelle auf eine gewünschte Temperatur bringen lässt. Damit ist das Fahrzeug am darauf folgenden Morgen direkt einsatzbereit.

 

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.

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.

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 bedeutet das ein Leistungsplus von 34 KW.

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.

Elektrische Spannung im Bordnetz

Die Anforderungen und Leistungen, die der elektrische Antrieb eines Hybridfahrzeugs erfüllen muss und erbringen soll, sind mit den Spannungsbereichen von 12 bzw. 24 Volt nicht zu bewerkstelligen. Hier sind bedeutend höhere Spannungsbereiche notwendig.

 

Dabei gilt es unbedingt zu beachten, dass bei Wechselspannungen höher als 25 V und bei Gleichspannungen höher als 60 V der Hochvolt-Bereich beginnt. Nach ISO-Norm zählt dieser Spannungsbereich als gefährlich für den Menschen.

GRUNDREGEL BEI ARBEITEN AN HYBRIDFAHRZEUGEN: PRAXIS-TIPPS

In Hybridfahrzeugen werden zwangsläufig Hochvolt-Komponenten verbaut. Diese sind durch einheitliche Warn-Hinweisschilder gekennzeichnet. Zusätzlich sind alle Hochvoltleitungen herstellerübergreifend mit leuchtendem Orange ausgeführt.

 

Als Grundregel bei Arbeiten an Hybridfahrzeugen gilt folgende Vorgehensweise:

  1. Spannungsfrei schalten
  2. Gegen Wiedereinschalten sichern
  3. Spannungsfreiheit feststellen

 

Beachten Sie die Vorgaben der Fahrzeughersteller!

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 zukünftig 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 elektrische PTC Heizelemente 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

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 Hybridfahrzeuges ist die Batterie. Diese muss die notwendigen erheblichen Energiemengen für den Antrieb schnell und zuverlässig bereitstellen. Zumeist sind diese Batterien Nickel-Metall-Hybrid-Hochspannungsbatterien, jedoch werden vermehrt Lithium-Ionen-Hochspannungsbatterien verwendet. 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 5°-10° Kelvin 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 mittels Fahrtwind gekühlt werden.

Spezieller Wärmetauscher

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 ZUR REPARATUR VON HYBRIDFAHRZEUGEN: WISSENSWERTES

Um die komplexen Thermo Management-Systeme in 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 „Elektrofachkraft für Hochvolt-Systeme“.

 

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 vorzunehmen.

WARTUNG VON 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 Arbeiten dürfen nur von Mitarbeitern ausgeführt werden, die durch eine „Elektrofachkraft für Hochvolt-Systeme“ auf die Gefahren dieser Hochvolt-Systeme hingewiesen und entsprechend unterwiesen wurden.

 

Des Weiteren müssen zwingend Werkzeuge eingesetzt werden, die den Spezifikationen der Hybrid-Fahrzeughersteller entsprechen.

 

Beim Klima-Check und Klimaservice ist zu beachten, dass die elektrischen Klimakompressoren nicht mit den üblichen PAG-Ölen geschmiert werden. Diese weisen nicht die notwendigen Isoliereigenschaften auf. In der Regel wird daher POE-Öl verwendet, das diese Eigenschaften besitzt.

 

Folglich sind für den Klima-Check und Klimaservice bei Hybridfahrzeugen Klimaservicegeräte mit interner Spülfunktion und einem getrennten Frischöl-Reservoir empfehlenswert. Auf diese Weise können Frischölvermischungen verschiedener Ölsorten ausgeschlossen werden.