Die Herausforderungen beim Heizen eines BEV

Die meisten Neuwagenkäufer zeigen vor dem Kauf wahrscheinlich kein großes Interesse an der Heizungsanlage eines Fahrzeugs. Es ist einfach etwas, das da ist, von dem man erwartet, dass es brauchbar ist, und das nicht als Differenzierungsmerkmal gesehen wird.

Mit der zunehmenden Beliebtheit von batterieelektrischen Fahrzeugen (Battery Electric Vehicles, BEVs) könnte sich diese Situation jedoch ändern, denn das herkömmliche Heizsystem, wie wir es kennen, gibt es in BEVs nicht mehr. Und was vorhanden ist, kann einen viel größeren Einfluss auf die Gesamtzufriedenheit des Käufers haben, als er erwartet.

Warum der Unterschied? Denn die Wärmequelle eines herkömmlichen Fahrzeugs – die Abwärme des Motors – ist in einem BEV einfach nicht vorhanden.

Bei einem herkömmlichen Heizsystem, das seit der Einführung von Cadillac im Jahr 1926 im Einsatz ist, wird Wärme vom Motor auf eine Flüssigkeit (Wasser/Frostschutzmittel) übertragen. Diese Flüssigkeit zirkuliert durch ein geschlossenes System, das einen Heizkern (kleinen Kühler) umfasst, durch den Luft in den Fahrgastraum geleitet wird und dort Wärme vom Kern aufnimmt.

Ein Ventilator sorgt dafür, dass die erwärmte Luft in den Innenraum und um ihn herum strömt, um die Insassen zu erwärmen und die Scheiben vor Beschlag/Entfrostung zu schützen.

Der entscheidende Punkt ist, dass einem BEV ohne Motor einfach nicht diese große Quelle „kostenloser“ Wärme zur Verfügung steht.

Es gibt einen Teil der Wärme, der von den Batterien erzeugt wird, und einen Teil der Leistungselektronik, und einige Autohersteller übertragen diese Wärme in den Luftstrom – jedes kleine bisschen hilft. Aber es reicht bei weitem nicht aus, um das zu ersetzen, was normalerweise ein Motor bieten würde.

Die von vielen angenommene offensichtliche Lösung besteht darin, den Heizkern durch ein elektrisches Widerstandsheizelement zu ersetzen, wie es in einer alten Elektroheizung der Fall ist.

Das moderne System verwendet jedoch nicht nur eine Spule aus Widerstandsdraht, sondern ein selbstregulierendes PTC-Heizelement (Positive Temperature Coefficient) mit integriertem Überhitzungsschutz.

Der Rest des Heizsystems kann weitgehend gleich bleiben und die sofortige Wärme des elektrischen Heizelements führt dazu, dass sich der Innenraum möglicherweise noch schneller erwärmt als beim allmählichen Aufwärmen eines Motors.

Das Problem bei dieser Lösung besteht darin, dass die einzige Stromquelle für die elektrische Heizung dieselbe ist, die auch zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird – die Batterie. Jedes Watt Leistung, die zum Heizen aufgewendet wird, steht also nicht für den Antrieb zur Verfügung. Dies ist einer der Gründe dafür, dass die Reichweite von BEVs bei niedrigen Umgebungstemperaturen tendenziell drastisch sinkt.

Eine weitere Alternative, die Nissan im Leaf 2012 eingeführt hat und mittlerweile in mehreren BEVs und PHEVs zum Einsatz kommt, ist der Einsatz einer reversiblen Wärmepumpe – praktisch einer Klimaanlage, die umgekehrt betrieben werden kann.

Vereinfacht ausgedrückt überträgt eine Wärmepumpe über einen externen Verdampfer Energie aus der Außenluft in ein Kältemittel – auch wenn es draußen kalt ist –, komprimiert dann das Kältemittel, erwärmt es und gibt diese Wärme über einen internen Kondensator an den Fahrgastraum ab .

Der Aufwand, ein HVAC-System umkehrbar zu machen, um sowohl als Klimaanlage als auch als Wärmepumpe zu fungieren, ist beträchtlich und daher teuer. Eine Vielzahl veröffentlichter Tests bestätigen jedoch, dass es mindestens so effektiv ist wie eine Widerstandsheizung und die negativen Auswirkungen auf die Reichweite verringert.

Es gibt jedoch eine Einschränkung. Die Effizienz einer Wärmepumpe nimmt mit sinkender Außentemperatur ab. Während es bei 0 °C sehr effektiv sein kann, ist es bei -20 °C deutlich weniger effektiv und erreicht seine praktische Grenze bei etwa -30 °C. Leider ist diese Temperatur in weiten Teilen Kanadas keine Seltenheit. Selbst eine Wärmepumpe benötigt im Extremfall eine zusätzliche Wärmequelle.

Welches Kernsystem auch immer verwendet wird, das ultimative Ziel, den Fahrgastkomfort zu erreichen, kann durch alternative Maßnahmen wie die Fokussierung der Wärme auf bestimmte Körperbereiche unterstützt werden. Zu diesem Zweck sind Sitz- und Lenkradheizungen bereits weit verbreitet.

Toyota geht noch einen Schritt weiter und ist der erste Automobilhersteller, der in einem Serienfahrzeug eine Strahlungsheizung einsetzt, die in den oberen bZ4x-Modellen auf die Unterschenkel- und Fußbereiche von Fahrer und Beifahrer ausgerichtet ist.

General Motors plant in Zusammenarbeit mit einem Wärmemanagementunternehmen namens Gentherm, diesen Ansatz mit einem individuellen Vier-Zonen-Mikroklima-Kontrollsystem für den kommenden Ultra-Luxus-Cadillac Celestiq zu erweitern.

Dieses System namens ClimateSense® soll 33 einzigartige Mikroklimageräte nutzen, darunter ein Halstuch und beheizte Armlehnen, die es jedem Insassen ermöglichen, das gewünschte Maß an Sitzheizung und -kühlung individuell einzustellen und gleichzeitig den Gesamtenergieverbrauch erheblich zu senken.

Erwarten Sie, dass eine Kombination dieser verschiedenen Technologien zur ultimativen Heizlösung wird, wenn die Notwendigkeit tatsächlich zu Erfindungen führt.