Automobilelektronik Elektrische Hochvoltheizungen

Alternative Heizkonzepte sind zum Beheizen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen gefragt, da deren Motore nicht genügend Abwärme für die Beheizung zur Verfügung stellen. Daher hat sich Webasto als Hersteller für kraftstoffbetriebene Pkw-Zuheizer und Standheizungen dazu entschlossen, ein effizientes, elektrisch betriebenes Heizsystem für Hybrid- und Elektrofahrzeuge zu entwickeln, das während der Fahrt den Innenraum beheizt. Jedes Fahrzeug braucht eine Heizung, schon weil ohne sie die Scheiben beschlagen oder vereisen und die Sicht des Fahrers beeinträchtigen, vor allem während der kalten Jahreszeit.

Die Auswahl der geeigneten Heiztechnologie

Mehrere Heiztechnologien (siehe Kasten) kommen in Frage: PTC- (Positive Temperature Coefficient), Heizdraht- und die Schicht-Technologie. Als Elektroheizung - in der Regel heute als Zuheizer für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor - sind bislang PTC-Heizungen für 12-V-Systeme verbreitet. Ziel war, ein elektrisch betriebenes Heizsystem für Elektro- und Hybridfahrzeuge zu entwickeln. Das Ergebnis ist der Hochvoltheizer (HVH) auf Basis der sogenannten Schicht-Technologie für Spannungen von 250 bis 450V. Das ist der bei Elektrofahrzeugen vorherrschende Spannungsbereich. Bei einem Gewicht von 1,9kg und einer stufenlos regelbaren Leistung von 0,2 bis 5,0kW hat das Heizgerät eine Leistungsdichte von 3,2W/cm ³. Vergleichbare PTC-Lösungen erreichen Leistungsdichten von 1,8W/cm ³und wiegen mehr als 3kg, in aktuellen Elektrofahrzeugen sind sogar Varianten, die mehr als 7kg wiegen. Dem Gewichtsvorteil fällt angesichts der Reichweitenproblematik beim elektrischen Fahren eine besondere Bedeutung zu. Webasto entschied sich, die Schicht-Technologie für den Einsatz im Automobil weiterzuentwickeln. Der Grund: Sie erlaubt die bestmögliche Wärmeauskopplung auch bei hohen Medientemperaturen, und das flächige Schichtheizelement ermöglicht ein kompaktes, flaches Design. Zudem bietet sie Vorteile im Sicherheitskonzept und ist damit den anderen Technologien überlegen. Der entwickelte Hochvoltschichtheizer arbeitet mit einer rund 0,4mm dicken Heizschicht. Da sie ohne Klebeverbindung direkt auf den Keramikträger aufgebracht wird, entstehen beim Wärmeübergang von der Schicht auf den Träger keine Verluste. Der Träger gibt die Wärme an das umströmende Wasser des Fahrzeugkreislaufs ab und heizt es bis maximal 90°C auf. Die Umwandlung des elektrischen Stroms in Wärme erfolgt mit einem Wirkungsgrad von 99 Prozent, minimale Verluste entstehen lediglich durch Wärmestrahlung.

Hochvoltheizer versus PTC

Im Vergleich zu einem PTC-Wasserheizer gleicher Leistungsklasse erreichte der 5-kW-Hochvoltheizer in Tests eine schnellere Erwärmung des Fahrzeuginnenraums: Nach dem Start bei 0°C benötigte der Hochvoltheizer 6,1 Minuten, um in Höhe des Fahrerkopfs eine Lufttemperatur von 20°C zu erzeugen. Das PTC-System erzielte die gleiche Temperatur erst nach 10,8 Minuten, benötigte also über 75 Prozent mehr Zeit. In dieser Zeit hatte der Hochvoltheizer die Luft bereits auf mehr als 25°C erwärmt. Während der Aufwärmphase belastet der Hochvoltheizer auch das Bordnetz weniger. In den ersten 1 bis 1,5 Minuten der Tests zeigte die Leistungsaufnahme des PTC-Geräts eine Sägezahnkurve mit kurzfristigen Schwankungen von etwa 2kW. In der Spitze forderte der PTC-Heizer kurzzeitig bis zu 7,5kW Leistung. Der Hochvoltheizer wurde hingegen stufenweise auf 5kW hochgeregelt. Infolge dieser unterschiedlichen Leistungskurven liegt der Energieverbrauch des Hochvoltheizers in der Aufheizphase um 18 Prozent unter dem Vergleichsgerät mit PTC-Technologie.Ein weiterer Vorteil bei der Regelung ergibt sich dadurch, dass die maximale Leistung des Hochvoltheizers unabhängig von der Wassertemperatur konstant verfügbar ist - während bei der PTC-Technologie systembedingt mit steigender Temperatur die mögliche Heizleistung abnimmt. Die Leistung des Hochvoltheizers von 5kW steht zudem im Spannungsbereich von 250 bis 450V ohne Einschränkung zur Verfügung. Zudem besitzt der Hochvoltheizer eine hohe Betriebssicherheit, da alle möglichen Ausfallrisiken durch Hard- und Software mehrstufig redundant abgesichert werden. Während des Betriebs wird das System permanent überwacht, beispielsweise durch verschiedene Temperatur-, Strom- und Spannungssensoren. Gegenüber PTC-Heizern gleicher Leistung ist der 5-kW-Hochvoltheizer kleiner und leichter. Er wiegt 1,9kg und hat ein Volumen von knapp 1550cm ³. Weiterhin hat er bei gleichem Bauraum fast die doppelte Leistung und einen Gewichtsvorteil von 30 Prozent.

Ein Modul für verschiedene Fahrzeuge

Zwar nicht systembedingt, aber durch ausgefeilte Konstruktion ließ sich das HVH-Modul einbau- und wartungsfreundlich aufbauen: Alle Anschlüsse für die Elektrik und zum Einbinden in den Wasserkreislauf sind an der schmalen Stirnseite des Heizgeräts. Damit lässt sich der HVH als Standardmodul in den verschiedensten Fahrzeugen ohne Anpassung verbauen. Damit die Verfügbarkeit der Hochvoltheizer nicht durch Rohstoffengpässe oder verschärfte gesetzliche Regelungen gefährdet werden kann, wurde auf kritische Rohstoffe wie seltene Erden und Schwermetalle verzichtet. Möglichen Lieferengpässen wirkt Webasto auch durch eine hohe Fertigungstiefe entgegen. So werden künftig die zur Kerntechnologie zählenden Bauteile im Hauptwerk für Heizungen in Neubrandenburg selbst produziert. Die Serienproduktion ist für 2015 geplant.