gesponsertThermomanagement Stark in Schlüsseltechnologien

Intelligentes Klimatisieren ist wichtig im effizienten E-Auto. Mahle setzt große Erwartungen in das Thermomanagement – und bietet ein breites Portfolio von Komponenten und Systemen.

Wesentliche Kundenerwartungen an E-Autos hängen von einem intelligenten Thermomanagement ab: lange Lebensdauer der Batterie, hohe Reichweite, die Performance des Antriebs und die Schnellladefähigkeit der Batterie. Unter allen klimatischen Bedingungen sollte jede Komponente des Antriebssystems im optimalen Temperaturbereich arbeiten. Gleichzeitig soll das Thermomanagement für die Passagiere im Innenraum ein Wohlfühlklima schaffen. Dies alles muss mit möglichst geringem Energieaufwand erfolgen.

Die Ermittlung der thermischen Bedürfnisse von Passagieren und Bauteilen sowie die bedarfsgerechte Zuteilung der Wärme- und Kühlpotenziale ist allerdings aufwendig. Der finanzielle Wert des Thermomanagementsystems in einem E-Auto ist nach Berechnungen von Mahle daher in etwa dreimal so hoch wie bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Weltweit wird der Markt für Thermomanagement-Produkte (von etwa 35 Milliarden Euro Gesamtvolumen im Jahr 2021) auf mehr als 50 Milliarden Euro im Jahr 2030 anwachsen.

An diesem Wachstum will Mahle überproportional teilhaben. „Wir verfügen über exzellentes Know-how in beiden Bereichen – Elektrifizierung und Thermomanagement. Das ermöglicht maßgeschneiderte thermische Systemlösungen für batterieelektrische Fahrzeuge, Hybride und konventionell angetriebene Fahrzeuge“, erläutert Uli Christian Blessing.

Strategisch aufgestellt

Thermomanagement ist wesentlicher Bestandteil der Konzernstrategie „Mahle 2030+“ und spielt eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung des Unternehmens. Das umfassende Verständnis aller thermodynamischen Prozesse unterscheidet Mahle nach eigenen Angaben von Wettbewerbern. Mit weltweiten Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionskapazitäten versteht man sich als Komplettanbieter, der die Benchmarkposition bei Systemkompetenz und Effizienz beansprucht.

Ein wichtiger Baustein der Mahle-Expertise ist der hochmoderne Klimawindkanal am Standort Feuerbach. Dort können einzelne Komponenten, Module sowie das gesamte Thermomanagementsystem in Fahrzeugen unter realitätsnahen Umgebungsbedingungen umfassend gemessen und geprüft werden.

Für die Entwicklung kundenspezifischer Lösungen nutzt Mahle einen Baukasten mit vorvalidierten Standardkomponenten. Das spart Entwicklungsaufwand und Zeit. Auf Kundenwünsche reagiert man flexibel und kann – neben kompletten Thermomanagementsystemen – je nach Wunsch auch nur einzelne Komponenten oder Module liefern: wie etwa Kühler, Kühlmodule, Chiller, Kondensatoren, Klimaanlagen, Thermomanagement-Module und elektrische Zuheizer. Alle wesentlichen Komponenten und Systeme werden selbst entwickelt und gefertigt.

Das Modul macht’s

Aktuelles Beispiel für die Systemkompetenz von Mahle ist das neue Thermomanagement-Modul. Es fasst viele bislang einzeln verbaute Komponenten des Kältemittel- und des Kühlmittelkreislaufs in einer Einheit zusammen; zum Beispiel den Chiller, Kühlmittelpumpen, E-Kompressor, Kondensator, Sensorik und Ventile. Der Modulansatz sorgt nicht nur für einen geringeren Entwicklungsaufwand: Der Kunde profitiert von einem geringeren Platzbedarf des Moduls, geringeren Kosten und einem drastisch reduzierten Montageaufwand. Beispielsweise sind alle Leitungen und Anschlüsse auf einer Seite des Moduls angebracht.

Zugleich ist das Thermomanagement-Modul deutlich effizienter: im Vergleich zu einer reinen E-Heizer-Architektur sorgt das Thermomanagement-Modul im Systemverbund mit Wärmepumpe bei E-Autos für bis zu 20 Prozent mehr Reichweite. Die höhere Kühlperformance sorgt außerdem dafür, dass die Batterie beim Laden länger in einem optimalen Temperaturfenster bleibt. Sie kann deshalb über einen größeren Zeitraum mit hoher Leistung geladen werden.

Erst kürzlich hat Mahle zwei Großaufträge für Thermomanagement-Module in einem Gesamtwert von knapp 1,5 Milliarden Euro akquiriert. Die Nominierung eines etablierten global aufgestellten Automobilherstellers ist dabei der größte Einzelauftrag in der Geschichte von Mahle. Für ihn entwickelt Mahle ein besonders hochintegriertes Thermomanagement-Modul, das den Kältemittelkreislauf mit den Kühlmittelkreisläufen verbindet. Beim anderen Kunden handelt es sich um einen aufstrebenden Autobauer aus dem asiatischen Raum.

Von der Natur abgeschaut

Auch zur Kühlung von elektrischen Batterien in Fahrzeugen bietet Mahle innovative Produkte. Die Temperierung der Traktionsbatterie mittels Batteriekühlplatte ist seit mehr als 15 Jahren eine bewährte Technik. Mahle hat nach eigenen Angaben mit einem innovativen Ansatz aus der Natur einen weiteren Technologiesprung erzielt. Eine bionische Formgebung der Kühlkanäle soll die thermodynamische Leistungsfähigkeit und die strukturmechanischen Eigenschaften erheblich verbessern.

Die Ingenieure von Mahle haben die bisher weitgehend parallel verlaufenden Kühlkanäle in eine bionische Geometrie geändert und so das bisher laminare Strömungsverhalten der Kühlflüssigkeit verbessert. Beispielsweise sorgen gelegentliche Kanalverengungen für partiell turbulente Strömungsverhältnisse und somit einen besseren Wärmeübertrag an dieser Stelle. Die Variation der Kühlkanalquerschnitte sorgt unter anderem dafür, dass die Kühlflüssigkeit mehr Wärme als bisher aufnehmen kann.

Die erzielten Resultate können sich sehen lassen: Bei einzelnen Batteriezellen sinkt die Temperatur beim Ladevorgang um bis zu sechs Grad Celsius. Durch diese deutlich reduzierte Temperaturspanne lässt sich die Batterie zuverlässiger im notwendigen Temperaturfenster halten und kann schneller geladen werden. Zudem erhöht sich die Lebensdauer der Zellen, da sie weniger thermischem „Stress“ ausgesetzt sind.

Unter dem Strich verzeichnet Mahle bei der Kühlplatte mit bionischer Struktur eine um zehn Prozent verbesserte Kühlleistung und einen um 20 Prozent geringeren Druckverlust. Letzteres ermöglicht die Verkleinerung der elektrisch betriebenen Wasserpumpe. Die naturnahen Kühlkanalgeometrien verbessern zudem die Strukturfestigkeit der Kühlplatte, sodass durch minimierte Wanddicken der Materialbedarf für die Platte (und somit deren CO₂ Footprint) um bis zu 15 Prozent gesenkt werden kann.

Keine Scheu vor Zukunftstechniken

Mit dem Aufkommen von Solid-State-Batterien wird Mahle vor eine neue Herausforderung gestellt. Batterien mit Festkörper-Elektrolyten variieren beim Laden und Entladen ihr Volumen um bis zu zehn Prozent; auch die Alterung hat Einfluss auf das Zellvolumen. Hier sind neue Konzepte erforderlich, um beispielsweise die Kühlkomponenten auf die variierenden Zellvolumina anzupassen.

Um den Energiebedarf bei der Innenraumklimatisierung zu senken, wird bislang unter anderem der Umluftanteil erhöht. Mahle erkundet einen weiteren Effizienzpfad: künstliche Intelligenz. Beispielsweise wird per Sensorik der Belegungsgrad und die körperliche Verfassung der Passagiere detektiert und aus diesen Informationen eine KI-gestützte Thermomanagement-Strategie abgeleitet. Ein weiteres Einsatzgebiet für KI hat Mahle bei der CFD-Simulation erschlossen. Weisen klassische CFD-Simulationen für ein Komplett-Klimasystem Rechenzeiten von bis zu zwei Wochen auf, verkürzt sich diese Zeitspanne durch KI-Unterstützung auf wenige Sekunden.

Weitere Effizienzpotenziale erschließt Mahle beim Brennstoffzellenantrieb. Dort muss ein beträchtlicher Teil der erzeugten Energie (bis zu 20 Prozent) dafür verwendet werden, die in den Stacks erzeugte Abwärme abzuführen. Denn bei der Brennstoffzelle fehlt der heiße Abgasstrom eines Verbrennungsmotors. Mahle nutzt jedoch das bei der kalten Verbrennung anfallende reine Wasser und sprüht es in den Luftstrom des Kühlmoduls, um von der Verdunstungskälte zu profitieren. Durch dieses „Evaporative Cooling“ lässt sich beispielsweise bei einer 300 Kilowatt starken Brennstoffzelle die übliche Lüfterleistung von 60 Kilowatt auf 25 bis 30 Kilowatt absenken. Erste Nutzfahrzeuge mit einem Evaporative Cooling System werden laut Mahle voraussichtlich 2026 in Serie gehen.

Schon an übermorgen denken

Großen Einfluss auf das Thermomanagement der Zukunft übt das jeweilige Kältemittel aus. Da das derzeitige Kältemittel R1234yf für die Umwelt problematische per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (englische Abkürzung PFAS, sogenannte Ewigkeitschemikalien) enthält, ist mit einem Verbot innerhalb der EU in den nächsten Jahren zu rechnen. Als alternative Kältemittel sieht Mahle R744 (CO2) und R290 (Propan) am Horizont. Problem: ein Klimakreislauf mit R744 weist einen etwa zehnmal höheren Systemdruck als bisher auf und erfordert deutlich robustere Komponenten. R290 ist brennbar und erfordert besondere Schutzmaßnahmen gegen Entzündung, etwa ein indirektes System mit R290 als Kältemittelkreislauf im Motorraum und einem Kühlmittelkreislauf im Innenraum.

Mittelfristig sieht Mahle R290 als das geeignetere Kältemittel für reine E-Auto-Plattformen, da es kostengünstiger als R744 ist und bestehende Komponenten, Produktionsanlagen und Testeinrichtungen ohne größere Modifikationen weiter genutzt werden können. R744 könnte sich zu einer Alternative für Fahrzeugplattformen entwickeln, die für batterieelektrische, verbrennungsmotorische und Hybrid-Antriebe ausgelegt sind.

R744 und R290 haben sowohl einen höheren COP-Faktor (Parameter für Heizeffizienz) als auch eine höhere Leistungsfähigkeit im Wärmepumpenbetrieb. Somit ist Mahle zuversichtlich, mit diesen Kältemitteln den Wirkungsgrad von Wärmepumpen entscheidend zu verbessern und die Reichweitenverluste vor allem im Winter deutlich unter zehn Prozent reduzieren zu können.

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