Wohlfühltemperatur für E-Autos: Neues ZF-Thermomanagement-System bringt bis zu zehn Prozent mehr Reichweite

Als hochintegriertes System ist TherMaS leichter und kleiner als vergleichbare Varianten, dabei jedoch effizienter und kostengünstiger. Durch den Einsatz von Propan als Kältemittel ergibt sich eine deutlich bessere Kühlleistung, zudem eine kleinere und leichtere Konstruktion des Systems. Das optimierte Thermomanagement und die effizientere Nutzung der Abwärme des Antriebsstrangs konnte in Tests die elektrische Reichweite im anspruchsvollen Winterbetrieb um bis zu zehn und unter Extrembedingungen sogar bis zu 30 Prozent steigern – und setzt dabei neue Benchmarks bei den Klimafunktionen.

Wie holt man mehr Reichweite aus der Batterieladung eines Elektrofahrzeugs? Für viele lautet die naheliegendste Lösung, den Wirkungsgrad des E-Motors zu erhöhen oder größere, teurere Batterien zu verbauen. Aber es gibt noch andere Möglichkeiten. Denn ein Großteil des Stromverbrauchs entsteht aus dem Heiz- und Kühlbedarf des Fahrzeuginnenraums und des elektrischen Antriebs – abhängig von Wetter- und Betriebsbedingungen. Dies zu bewältigen ist die Aufgabe von Thermomanagement-Systemen.

„Besonders die Batterie eines E-Autos ist sehr empfindlich, was ihre ideale Betriebstemperatur angeht. Am wohlsten fühlt sie sich zwischen 15 und 25°C“, erklärt Dr. Otmar Scharrer, Entwicklungsleiter für elektrifizierte Antriebstechnologien. Die Umgebungstemperatur hat somit einen großen Einfluss auf die effektive Reichweite eines Elektrofahrzeugs. Denn an extrem kalten oder extrem heißen Tagen wird das Thermomanagement stärker beansprucht, was zu einer höheren Leistungsaufnahme führt und die verfügbare Reichweite nahezu halbieren kann. „Das Thermomanagement zu verbessern ist daher sowohl für den Hersteller als auch für die Fahrer von großem Nutzen“, sagt Scharrer. Dies war die Motivation für ZF, das eigene Thermomanagement-System TherMaS zur Marktreife zu entwickeln.

Überlegene Leistung bei geringerer Komplexität

Bereits 2023 hatte ZF eine Konzeptstudie eines zentralen Thermomanagement-Systems zur Regelung der thermischen Prozesse für Antrieb, Batterie und Innenraum in einem Fahrzeug verbaut und vorgestellt. „Seitdem haben wir erhebliche Technologiesprünge gemacht. Dank der überlegenen Fähigkeiten und des einfach zu integrierenden Designs können unsere Kunden eine bessere Leistung des E-Antriebsstrangs und eine höhere elektrische Reichweite erwarten, ohne Abstriche beim Komfort zu machen“, fasst Scharrer zusammen.

Mit Kühl- und Heizleistungen von mindestens 10 kW zwischen -25°C und +35°C Außentemperatur verfügt TherMaS über genügend Leistung, um die Batterie thermisch im optimalen Betriebsbereich zu halten – und das bei weniger Geräuschen und Schwingungen als dem Benchmark. Darüber hinaus verfolgte ZF einen ganzheitlicheren Ansatz als die derzeit verfügbaren Alternativen. So integrierten die Ingenieure alle Wärmemanagementfunktionen in ein vollständiges, unabhängiges Subsystem. Dazu gehörte auch die Entwicklung der ersten eigenen Wärmepumpe des Unternehmens. Diese Bemühungen haben sich ausgezahlt: TherMaS ist im Vergleich zu Marktlösungen einfacher und leichter, dazu effizienter und für Kunden kostengünstiger zu integrieren.

Der Clou von TherMaS ist ein sehr kompakter, propanbasierter Wärmepumpen-Kältekreis, der die einzelnen Komponenten bedarfsgerecht – und kundenspezifisch – nach Temperatur-, Heiz- und Kühlanforderung einbindet. Daneben gibt es zwei weitere, separat regelbare Kühlkreisläufe, in denen wie üblich frostgeschütztes Wasser fließt. Der eine dient dem Elektromotor, der andere der Leistungs- und Ladeelektronik samt Batterie.

Weil Propan besonders gut kühlt, konnten die ZF-Ingenieure die Kreisläufe bei gleicher Leistung kleiner halten als bei herkömmlichen Systemen. Auch die Gesamtkomplexität des Systems wurde reduziert – insbesondere bei der E/E-Architektur und der Steuerung der Wasser- und Glykol-Kreisläufe. Ein leichteres und kleineres Gehäuse bringt zusätzliche Vorteile für Hersteller. Die kompakte Bauweise spart nicht nur Einbauraum und Montagezeit, sondern hilft auch, Wärme- und Kälteverluste zu vermindern – denn sie kann näher an der Kabine montiert werden, was kurze Leitungen ermöglicht. Der hohe Integrationsgrad reduziert zudem den zu erwartenden Wartungsaufwand und erhöht damit das Kosten-Nutzen-Verhältnis für die Automobilhersteller.

Im Test überragend, bereit für den Markt

ZF hat TherMaS in einem Demonstrationsfahrzeug ausgiebig getestet. Dort brachte das System im anspruchsvollen Winterbetrieb bis zu zehn und unter Extrembedingungen sogar bis zu 30 Prozent mehr an elektrischer Reichweite. Auch in weiteren realen Fahrszenarien konnte TherMaS überzeugen. Das neue Thermomanagement-System von ZF wird in drei Leistungsklassen erhältlich sein, um ein breites Spektrum an Anwendungsfällen und Fahrzeugplattformen abzudecken. Die Automobilhersteller haben bereits großes Interesse signalisiert und den hohen Reifegrad des Prototyps bestätigt.