Thermomanagement neu gedacht
ZF ist bekannt für seine effiziente Antriebstechnik in elektrifizierten Fahrzeugen. Sein außergewöhnliches Thermomanagement-System „TherMaS“ ist ein weiterer Ansatzpunkt, um mehr Reichweite pro Batterieladung zu erzielen.
Was haben die Nutzer von Autos und die Technik eines Elektrofahrzeugs gemeinsam?
Beide fühlen sich am wohlsten, wenn sie im Sommer kühl- und im Winter warmgehalten werden. Zugegeben, wo der exakte menschliche Wohlfühlbereich liegt, ist individuell verschieden. Fahrzeugkomponenten wie die sensible Li-Ion-Antriebsbatterie oder die Leistungselektronik schätzen Temperaturen zwischen 15 und 30 Grad Celsius, die elektrische Maschine bis etwa 60 Grad. Während die Batterie je nach Jahreszeit entweder gekühlt oder erwärmt werden muss, verlangen E-Motor und Leistungselektronik stets nach Kühlung.
Starke Hitze im Sommer und klirrende Kälte im Winter beeinflussen in Plug-in-Hybriden sowie in batterieelektrischen Fahrzeugen die Aktivität der Elektronen, den Alterungsprozess von Komponenten, den Energieverbrauch und damit die maximal mögliche Batterie-Reichweite. Egal wie die Außentemperatur ist, es ist Aufgabe des sogenannten Thermomanagement-Systems im Fahrzeug, die Wärmeströme im Auto zu steuern – sowohl für die Technik als auch zur Klimatisierung des Innenraums.
ZF-Ingenieure haben das Thermomanagement völlig neu gedacht, die Technik vereinfacht und dabei kompakter sowie umweltfreundlicher gemacht.
Starkes Wachstum für Thermomanagement-Systeme
Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen wächst auch der Weltmarkt für Thermomanagement-Systeme in den nächsten Jahren stark an. So rechnet beispielsweise das Marktforschungsunternehmen Global Market Insights beim Absatz von Thermomanagement-Systemen im Zeitraum zwischen 2025 und 2034 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von mehr als 16 Prozent. Aufgrund dieser Aussichten und der engen Verbindung der elektrischen Antriebsstrang-Komponenten E-Motor, Leistungselektronik, Inverter und Konverter zum Thermomanagement-System, entschloss sich ZF, ein eigenes Temperaturmanagement-System zu entwickeln. Dabei setzten sich die Entwickler jedoch das ehrgeizige Ziel, mit ihrem System sämtliche Lösungen auf dem Markt gleich in mehrfacher Hinsicht zu übertreffen.
Bereits im Jahr 2023 präsentierten ZF-Ingenieure die erste Version ihres Systems „TherMaS“ im Versuchsfahrzeug EVbeat. „Seitdem haben wir erhebliche Technologiesprünge gemacht“, sagt Dr. Otmar Scharrer und ergänzt: „Dank der überlegenen Fähigkeiten und des einfach zu integrierenden Designs können unsere OEM-Kunden eine bessere Leistung des E-Antriebsstrangs und eine höhere elektrische Reichweite erwarten.“ Scharrer ist bei ZF der Entwicklungschef fürs Produktportfolio zur Elektromobilität.
Deutlich mehr als nur ein Reichweiten-Plus
Heute holt „TherMaS“ im fordernden Winterbetrieb auch bei Minusgraden bis zu einem Drittel mehr an Reichweite aus der Antriebsbatterie heraus als aktuelle Produkte von Wettbewerbern. Darüber hinaus bietet „TherMaS“ weitere wichtige Vorteile für Kunden:
Wärmepumpe und Flüssigkeitssteuereinheit (rechts im Bild) von TherMas benötigen weniger Bauraum und sind im Fahrzeug flexibler zu platzieren.
- Dank der kompakten Bauweise benötigt das System nur wenig von dem ohnehin begrenzten Bauraum im Fahrzeug. Die reduzierte Größe erlaubt, die Wärmepumpe und die Flüssigkeitssteuereinheit (FCU) innerhalb des Fahrzeugs flexibler zu platzieren – beispielsweise näher an der Fahrzeugkabine oder in der Nähe thermisch relevanter Komponenten. Dadurch lassen sich Leitungen verkürzen, was Wärme- und Kälteverluste reduziert und die Effizienz des Thermomanagements insgesamt verbessert.
- Auch unterstützt der hohe Grad an Integration von Komponenten in „TherMaS“ die schnellere Installation beim Kunden im Vergleich zu den heute üblichen Systemen.
- Dies und die Vorbefüllung des Systems mit Kältemittel vereinfachen und beschleunigen den Einbau beim Kunden. Das drückt dessen Kosten.
- Es ist geplant, „TherMaS“ in drei Leistungsklassen anzubieten. Diese Modularität beschleunigt die Integration in unterschiedliche Fahrzeugplattformen.
- Dank des natürlichen Kältemittels Propan (R290) und der geringen benötigten Menge von weniger als 150 Gramm, ist „TherMaS“ sehr nachhaltig.
„All die genannten Vorteile von „TherMaS“ führen dazu, dass Automobilhersteller für mehr Reichweite nicht automatisch auf effizientere E-Motoren und größere Akkupacks setzen müssen, was den Fahrzeugpreis verteuert. Der Einsatz unseres Thermomanagement-Systems schafft hier zusätzliche Freiräume“, sagt Dr. Benedikt Schauder. Er ist bei ZF verantwortlich für die Produktentwicklung von „TherMaS“.
Kältemittel Propan: nachhaltig und effizient
Übrigens, einer der Gründe für die Kompaktheit von „TherMaS“ liegt in der Wahl des Kältemittels. Vom natürlichen und vom “PFAS-Bann” nicht betroffenen, zukunftssicheren Kältemittel Propan (R290) genügen weniger als 150 Gramm, wo aktuelle Topsysteme noch 900 Gramm des Standardkältemittels R1234yf benötigen. Hinter dem bereits erwähnten PFAS-Bann steckt das geplante Verbot oder die strenge Beschränkung von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) innerhalb der Europäischen Union. Im einfacher gestalteten Thermomanagement-System „TherMaS“ zirkuliert das von Haus aus brennbare Propan völlig sicher in einem hermetisch abgeschlossenen Kältemittelkreislauf.
Das starke Kundeninteresse am völlig neu gedachten Thermomanagement-System “TherMaS” bestärkt dessen Entwickler bei ZF, auf dem richtigen Weg zu sein.
