Thermomanagement bei Elektrofahrzeugen: Effizienz vs. Reichweite

Mit dem wachsenden Anteil von Elektrofahrzeugen (EVs) auf den Straßen rückt ein technisches Thema zunehmend in den Fokus: das Thermomanagement. Anders als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, bei denen die Abwärme ein natürlicher Bestandteil des Antriebskonzepts ist, stellt die Wärmeregulierung bei Elektroautos eine technische und energetische Herausforderung dar. Dabei geht es nicht nur um den Schutz der Komponenten vor Überhitzung oder Unterkühlung, sondern vor allem um die Optimierung von Effizienz und Reichweite – zwei zentrale Kriterien für den Erfolg der Elektromobilität.

Die Bedeutung des Thermomanagements

Elektrofahrzeuge bestehen aus mehreren temperaturempfindlichen Komponenten: der Hochvoltbatterie, dem Elektromotor, der Leistungselektronik sowie dem Ladegerät. Diese Systeme arbeiten nur innerhalb bestimmter Temperaturbereiche optimal. Ein Überschreiten dieser Grenzen kann zu Leistungsverlust, vorzeitigem Verschleiß oder im schlimmsten Fall zur Beschädigung der Bauteile führen. Gleichzeitig sind auch zu niedrige Temperaturen problematisch – insbesondere bei der Batterie, deren Leistungsfähigkeit und Ladegeschwindigkeit bei Kälte deutlich abnehmen.

Das Thermomanagement übernimmt daher die Aufgabe, die Temperatur der verschiedenen Komponenten aktiv zu steuern. Es sorgt dafür, dass die Batterie beim Schnellladen nicht überhitzt, dass der Innenraum bei Minustemperaturen beheizt wird, ohne die Batterie übermäßig zu belasten, und dass der Motor sowie die Leistungselektronik unter Last nicht thermisch degradiert werden. All dies muss in einem hochintegrierten System geschehen, das effizient mit der begrenzten Energiemenge aus der Fahrzeugbatterie haushaltet.

Energieverbrauch als Reichweitenkiller

Ein zentrales Dilemma des Thermomanagements ist der Zielkonflikt zwischen Effizienz und Reichweite. Jede Form der Temperaturregelung – sei es Heizen oder Kühlen – benötigt Energie. In einem konventionellen Fahrzeug wird die Innenraumheizung beispielsweise durch Abwärme des Motors betrieben, was nahezu „kostenlos“ erfolgt. Bei Elektrofahrzeugen muss die Heizleistung jedoch aktiv über elektrische Heizsysteme, Wärmepumpen oder PTC-Heizer erzeugt werden, was sich direkt auf die Reichweite auswirkt.

Im Winter kann allein die Innenraumheizung den Energieverbrauch eines Elektroautos um bis zu 30 % erhöhen. Dies führt dazu, dass die reale Reichweite in kalten Monaten oft deutlich unter den offiziellen Angaben liegt. Um dem entgegenzuwirken, kommen in modernen Fahrzeugen zunehmend Wärmepumpensysteme zum Einsatz. Diese nutzen physikalische Prinzipien, um vorhandene Umweltwärme effizienter zu nutzen und mit weniger Strom eine angenehme Kabinentemperatur zu erzeugen. Zwar sind Wärmepumpen in der Anschaffung teurer und aufwändiger zu integrieren, bieten jedoch eine erhebliche Einsparung im laufenden Betrieb.

Batterie- und Komponentenmanagement

Die Batterie ist das Herzstück jedes Elektroautos – und gleichzeitig besonders empfindlich gegenüber thermischen Schwankungen. Während hohe Temperaturen die Alterung beschleunigen und die Sicherheit gefährden können, reduzieren niedrige Temperaturen die Ladefähigkeit und Leistungsabgabe deutlich. Deshalb werden moderne Hochvoltbatterien mit flüssigkeitsbasierten Kühlsystemen oder temperierbaren Gehäusen ausgestattet, die sowohl aktive Kühlung als auch Heizung ermöglichen.

Ein aktives Batteriethermomanagement ist insbesondere beim DC-Schnellladen essenziell. Beim Laden mit hohen Strömen entsteht innerhalb der Batteriezellen Wärme, die abgeführt werden muss, um Schäden zu vermeiden. Hersteller wie Tesla, BMW oder Hyundai setzen auf komplexe Flüssigkühlkreisläufe, die eine konstante Temperatur im Idealbereich von etwa 20–30 °C halten – sowohl während der Fahrt als auch beim Laden.

Auch der Elektromotor und die Leistungselektronik benötigen gezielte Kühlung. Im Gegensatz zu Verbrennern entstehen hier weniger mechanische Verluste, dafür jedoch signifikante elektrische Verluste, die sich in Wärme umwandeln. Die Kühlung erfolgt häufig durch eine Kombination aus Luft- und Flüssigkühlung, teilweise sogar mit geteilten Kühlkreisläufen, um eine thermische Kopplung von Batterie, Motor und Fahrzeuginnenraum zu ermöglichen.

Intelligente Systemintegration als Lösungsansatz

Zukünftige Fortschritte im Thermomanagement liegen vor allem in der intelligenten Verknüpfung der einzelnen Teilsysteme. Anstatt mehrere separate Kühl- und Heizkreisläufe zu betreiben, setzen Hersteller zunehmend auf zentrale, modulare Thermomanagementsysteme, die situativ und vorausschauend arbeiten. Mithilfe von Sensorik, Software und KI-Algorithmen kann das Fahrzeug beispielsweise anhand von Navigationsdaten, Wetterinformationen und Fahrprofilen frühzeitig entscheiden, wann und wie welche Komponenten geheizt oder gekühlt werden müssen.

Ein gutes Beispiel hierfür ist das sogenannte „vorausschauende Thermomanagement“: Wenn das Fahrzeug erkennt, dass in 20 Minuten ein Schnellladevorgang bevorsteht, beginnt es bereits frühzeitig damit, die Batterie auf die optimale Ladetemperatur zu bringen – möglichst energieeffizient und ohne übermäßige Spitzenlasten.

Balance ist alles

Das Thermomanagement ist ein zentrales Bindeglied zwischen technischer Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Nutzerkomfort im Elektrofahrzeug. Die größte Herausforderung besteht darin, eine ausgewogene Balance zwischen minimalem Energieverbrauch und optimalem Temperaturmanagement zu erreichen – eine Aufgabe, die durch steigende Ladeleistungen, größere Batteriekapazitäten und höhere Fahrzeugleistungen noch komplexer wird.

Innovative Ansätze wie Wärmepumpen, vorausschauende Steuerung und integrierte Kühlkreisläufe zeigen, wie sich Effizienzgewinne erzielen lassen, ohne die Reichweite übermäßig zu beeinträchtigen. Dennoch bleibt das Thermomanagement auch in Zukunft ein zentrales Entwicklungsfeld der Elektromobilität – gerade im Hinblick auf extreme Klimazonen, Schnellladeinfrastrukturen und den langfristigen Erhalt der Batterielebensdauer.

Quelle: ARKM Redaktion