Thermomanagement in Elektro- und Hybridfahrzeugen

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.

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

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“.

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.

haben die Möglichkeit die Akkus beispielsweise über Nacht aufzuladen. Der positive Nebeneffekt bei diesem Fahrzeugtypus ist, dass sich zeitgleich die Fahrgastzelle bereits vor Antritt der Fahrt auf eine gewünschte Temperatur bringen lässt. Damit ist das Fahrzeug am darauf folgenden Morgen direkt einsatzbereit. Der Plug-in-Hybrid ist eine Form des Full-Hybrids.

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.

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.

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.“

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:

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.

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!

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.

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.

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.)

Unbedingt Herstellerangaben beachten. Nur bei wenigen Fahrzeugen ist ein Fremdstarten über das 12/24 V DC Bordnetz möglich. Nach dem Abschalten können gefährliche Restspannungen vorhanden sein, die sich nicht über Dauerentladewiderstand entladen. Vor dem Öffnen die Anweisung in der Betriebsanleitung oder/und technischen Informationen des Fahrzeugherstellers beachten.

• Unbeschädigte Fahrzeuge können grundsätzlich  auf ein Bergungsfahrzeug (Plateaufahrzeug) verladen werden.
• Beim Abschleppen mit Stange oder Seil sind die Herstellervorgaben zu beachten.
• Um Fahrzeuge sicher zu Bergen sind alle Maßnahmen aus dem Kapitel „Sichere Hilfe bei Elektroautos“ zu berücksichtigen.
• Wird das Fahrzeug mit einer Winde gezogen/geborgen dürfen sich keine HV-Komponenten im Bereich der Anschlag- oder Ansetzpunkte befinden und beschädigt werden. Das Gleiche gilt beim Heben mit einem Wagenheber oder Ladekran.