Mobilität & Logistik

Intelligentes Thermomanagement erhält Reichweite und Performance

Elektrisch angetriebene Autos müssen im Winter den Innenraum und das Batteriesystem temperieren. Bereits diese Doppelaufgabe verlangt ihnen einiges an Energie ab. Niedrige Außentemperaturen kommen erschwerend hinzu – und wirken sich auf die Leistungsfähigkeit von Hochvoltbatterien aus. Dennoch ist die Sorge vor übermäßigem Reichweitenverlust bei elektrisch betriebenen Audi Modellen unbegründet.

18.01.2022

Intelligentes Thermomanagement erhält Reichweite und Performance

Mit intelligentem Thermomanagement sorgt die Marke bei ihren Autos für ausgezeichnete Performance und Reichweite; spezielle Schutzmechanismen stellen eine lange Lebensdauer der Batterie sicher. Pierre Woltmann, bei Audi zuständig für das Thermomanagement der Hochvoltbatterie, und Thomas Anzenberger aus der virtuellen Funktionsentwicklung des Thermomanagements erklären im Interview, wie die Vier Ringe den Herausforderungen im Winterbetrieb wirksam begegnen.

Thomas Anzenberger, Virtuelle Funktionsentwicklung des Thermomanagements
Thomas Anzenberger, Virtuelle Funktionsentwicklung des Thermomanagements

Müssen sich Fahrerinnen und Fahrer von elektrisch angetriebenen Audi Modellen im Winter über Einschränkungen Sorgen machen?

Thomas Anzenberger: Die Frage kann ich mit einem ganz klaren Nein beantworten. Schon aufgrund der Größe unserer Hochvoltbatterien sind Zweifel an Performance und Reichweite im Winter unberechtigt. Unser intelligentes Thermomanagement wählt immer die effizienteste Methode, um Batterie und Innenraum im Winter angemessen zu heizen. Damit die Hochvoltbatterie eine lange Lebensdauer erreicht, sollten unsere Kundinnen und Kunden die Vorkonditionierung zu jeder Jahreszeit über eine so genannte AC-Ladesäule oder eine heimische Wallbox vornehmen. Gerade im Winter ist diese Funktion besonders nützlich. Auf diese Weise werden die Zellen geschont und gleichzeitig der Reichweitenverlust minimiert, weil die Batterie bereits im optimalen Temperaturbereich ist und somit nicht mehr so stark geheizt werden muss.

 Pierre Woltmann, Entwicklung BEV-Speichersysteme und Thermomanagement
Pierre Woltmann, Entwicklung BEV-Speichersysteme und Thermomanagement

Was bewirkt Kälte in einer Hochvoltbatterie?

Pierre Woltmann: Grundsätzlich ist die Performance einer Hochvoltbatterie vom Ladezustand und von der Temperatur abhängig. Je kälter es ist, desto weniger Leistung kann die Batterie abgeben. Hier spielen elektrochemische Prozesse eine Rolle. Bei kalten Batterietemperaturen steigt der elektrische Innenwiderstand der Batterie und die nutzbare Kapazität sinkt. Wir schützen die Batterie, indem wir bei niedriger Batterietemperatur weniger Stromstärke freigeben. Außerdem kann die Batterie die Abwärme der flüssigkeitsgekühlten Hochvoltkomponenten wie Leistungselektronik, Antrieb und Ladegerät aufnehmen und mit einem Kühlmittelheizer direkt geheizt werden.

Welche Auswirkungen hat Kälte auf das Laden?

Woltmann: Bei niedrigen Batterietemperaturen kann das Laden länger dauern. Deshalb muss die Batterie während des Ladens geheizt werden, idealerweise sogar schon auf dem Weg dorthin. Verbunden mit der Ladesäule kommuniziert das Fahrzeug automatisch mit der Stromquelle. Die Ladesäule weiß daher, wie viel Strom die Batterie zu jeder Zeit aufnehmen kann. So stellen wir sicher, dass die Batterie nicht überlastet wird. Beim Laden bezieht die Batterie den Strom für die nötige Heizleistung aus der Ladesäule.

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Welche Aufgabe übernimmt das Thermomanagement?

Anzenberger: Prinzipiell ist das Thermomanagement dafür zuständig, die Wärmeströme zwischen Antrieb, Hochvoltbatterie und Innenraum zu verteilen. Bewährt hat sich in diesem Zusammenhang vor allem unser Wärmepumpensystem, das Energie aus dem Antriebsstrang oder der Umgebungsluft umwandelt. Das ist Wärme, die der Batterie oder im Winter auch dem Innenraum zur Verfügung steht. Relativ neu ist dabei die Nutzung der Umgebungsluft als Energiequelle: Mit ihr gleichen wir die geringer werdende Abwärme aus dem immer effizienter arbeitenden Antriebsstrang aus. Auf diese Weise stehen uns über den Antriebsstrang und die Umgebungsluft zwei voneinander unabhängige Systeme zur Verfügung, mit denen wir Innenraum und Hochvoltbatterie heizen.

Wie wird die Temperatur von Batterie und Innenraum während der Fahrt geregelt?

Anzenberger: Um auch bei sehr kalten Temperaturen eine zuverlässige Versorgung mit Wärme gewährleisten zu können, integriert unser Wärmepumpensystem, das in den meisten unserer E-Modelle verbaut ist, zusätzliche Hochvoltheizer in die Betriebsstrategie. Damit ist auch in Extremsituationen der Innenraumkomfort sichergestellt und die ideale Batterietemperatur von rund 25 bis 30 Grad Celsius für maximale Performance ist schnell erreicht. In unserem Winterpaket für die besonders kalten nordischen Länder ist ein zweiter elektrischer Heizer dabei. Für manche Modelle lässt sich ein zusätzlicher Heizer für E-Fahrzeuge auch optional bestellen.

Woltmann: Wenn unsere Kundinnen und Kunden maximal effizient unterwegs sein wollen, heizt der Algorithmus des Thermomanagements bei kalten Außentemperaturen die Batterie auf geringere Temperaturen und gibt damit zwar weniger Fahrleistung frei, erhöht aber die Reichweite des Fahrzeugs.

Welche weiteren technischen Lösungen hat Audi entwickelt, um die Hochvoltbatterie von Temperatureinflüssen unabhängiger zu machen?

Audi Q4 50 e-tron quattro Edition One

Woltmann: Wir bieten als Schnittstelle zum Thermomanagement eine so genannte Vorkonditionierung an, die sich positiv sowohl auf die Batterie als auch den Innenraum auswirkt. Mit dem Lade- und Abfahrtstimer lässt sich – direkt im Fahrzeug oder mit der myAudi-App – der genaue Zeitpunkt der Abfahrt festlegen. Damit liegt der automatisierte Ladevorgang mit vorab eingestelltem Batterieladezustand und günstiger Batterietemperatur möglichst nah an der Abfahrtszeit.

Auf diese Weise lässt sich der Reichweitenverlust durch das Heizen der Batterie deutlich verringern. Zusätzlich klimatisiert die Vorkonditionierung den Fahrzeuginnenraum vor der Abfahrt auf die gewünschte Temperatur.

Anzenberger: Beim e-tron GT quattro und RS e-tron GT funktioniert die Konditionierung für den Ladevorgang sogar automatisch während der Fahrt, um eine konstant hohe Ladeleistung an Schnellladesäulen zu erzielen. Und zwar dann, wenn in diesen Modellen der e-tron Routenplaner verwendet wird. Das intelligente Thermomanagement bringt dann – in Abhängigkeit von der Außentemperatur – die Batterie zusätzlich zur Vorkonditionierung während der Fahrt und vor dem Ladebeginn in einen für das Laden optimalen Temperaturbereich. Durch diese zusätzliche mobile Vorkonditionierung der Batterie im e-tron GT quattro und RS e-tron GT ist ein best- und schnellstmögliches Ladeergebnis gewährleistet.

Wie reduziert Audi den Reichweitenverlust beim Heizen des Innenraums?

Woltmann: Im Vergleich zum Verbrenner steht in einem elektrisch angetriebenen Auto viel weniger Abwärme und Energie für die Heizung zur Verfügung. Die Wärme, die Batterie, E-Maschine und Leistungselektronik erzeugen, lässt sich mittels einer Wärmepumpe in den Innenraum leiten. Die Wärmepumpe arbeitet dabei im Prinzip wie ein Kühlschrank – nur umgekehrt. Je mehr Abwärme zur Verfügung steht, desto effizienter arbeitet die Pumpe. Aus einem Kilowatt elektrischen Strom kann sie im besten Fall bis zu drei Kilowatt Wärmeleistung erzeugen. Vor allem im Winter ist diese Technologie sehr nützlich, weil sie ein thermoelektrisches Heizelement ersetzt. In Abhängigkeit von der Außentemperatur kann die Wärmepumpe eine höhere Reichweite im Vergleich zu einer herkömmlichen Heizung erzielen.

Was können Kundinnen und Kunden machen, die keine Garage zur Verfügung haben?

Woltmann: Wer gleich zum Fahrtantritt größere Reichweiten benötigt, sollte vorkonditionieren. Am besten durch so genanntes AC-Laden, das ist generell effizienter als DC-Laden, weil aufgrund der geringeren Ströme weniger Verlustleistung entsteht. Zudem ist AC-Laden schonender, weil die Batterie nicht so belastet wird. Beim AC-Laden fließt eine geringere Stromstärke. Diese kann die Batterie schon bei sehr geringen Batterietemperaturen aufnehmen, wodurch die Batterie weniger geheizt werden muss. Geladen werden sollte – egal, ob AC oder DC – direkt vor Fahrtantritt über den Abfahrtstimer, um die höhere Batterietemperatur für einen Reichweitengewinn zu nutzen, oder direkt nach der Fahrt, um die höhere Batterietemperatur zu nutzen, um schneller und effizienter zu laden.

Audi Q4 50 e-tron quattro Edition One

Was passiert mit einer kalten Batterie an einer Schnellladesäule?

Woltmann: Der Algorithmus im Fahrzeug erkennt modellabhängig, wenn das Auto an einer DC-Schnellladesäule lädt. Die Ströme werden abhängig vom Ladezustand und von der Temperatur freigegeben. Durch das von uns implementierte aktive Heizen verringern wir die Ladedauer bei kalten Temperaturen deutlich.

Wann kommen Hochvoltbatterien an ihre Grenzen?

Woltmann: Ab einer Kerntemperatur von minus 30 Grad Celsius geben wir keinen Strom mehr frei, um die Batterie zu schützen. Dafür müsste das Auto aber über einen längeren Zeitraum einer solchen Extremtemperatur ausgesetzt sein. Selbstverständlich ist das Fahren mit einem e-tron Modell bei ausreichendem Ladeniveau und vorgeheizter Hochvoltbatterie aber auch bei Außentemperaturen von minus 30 Grad Celsius möglich.

Welchen Rat können Sie aus technischer Sicht für den Winter noch geben?

Anzenberger: Während der Fahrt können Kundinnen und Kunden anhand des Bordcomputers und des Reichweitenmonitors im Audi MMI mit der Reichweitenprädiktion direkt ablesen, wie viel Reichweite sie gewinnen, wenn zum Beispiel die Innenraumtemperatur gesenkt wird. Mit dem Range Mode lässt sich die Reichweite erhöhen. Komfortfunktionen, Antriebsleistung und die Höchstgeschwindigkeit werden dann ein wenig eingeschränkt.

Weitere Tipps

Sitzheizung statt Heizgebläse, optimaler Reifendruck, Parken in der Garage und den Effizienzmodus wählen: Diese und andere Faktoren bestimmen, wie schnell sich die Hochvoltbatterie leert – oder eben nicht. Was können Audi Kund:innen über die gängigen Tipps hinaus noch unternehmen, um die Hochvoltbatterie ihres e-tron Modells im Winter leistungsfähig zu halten und die optimale Reichweite zu erreichen?

1. Abfahrtstimer und Vorkonditionierung

Die Vorkonditionierung klimatisiert den Fahrzeuginnenraum vor der Abfahrt wie bei einer Standheizung auf die gewünschte Temperatur. Eine Funktion, die außer für Komfort auch für mehr Reichweite sorgt. Denn bei der Vorkonditionierung mittels Abfahrtstimer wird die Energie, die im Winter zum Wärmen der Batterie nötig ist, dem Fahrzeug beim Laden über eine externe Energiequelle zugeführt – etwa die heimische Wallbox oder eine öffentliche Ladesäule. Das Ergebnis: Während der Fahrt muss weniger Heizleistung aufgewendet werden, was wiederum der Reichweite zugutekommt. Das ist vor allem für energieintensive Kurzstrecken relevant, auf denen kaum Zeit vorhanden ist, die Batterie ohne das Vorheizen auf Wohlfühltemperatur zu bringen.

2. e-tron Routenplaner

Der Audi e-tron Routenplaner ergänzt in den rein elektrisch betriebenen Modellen mit rund 30 Detailinfos die Navigationsfunktionen des Audi MMI (MMI = Multi Media Interface) und hilft, die Anforderungen der Elektromobilität speziell bei mittleren und längeren Distanzen zu optimieren: Er berechnet die schnellste Route, berücksichtigt Verkehrsdaten sowie Streckendaten, bezieht die Fahrgewohnheiten ein, kalkuliert die Dauer der Ladestopps und plant sie in die Gesamtfahrzeit ein. Nutzer:innen erhalten grundsätzliche Informationen wie Ladeleistung oder Ladeanschlüsse und Steckertyp für die jeweiligen Ladepunkte. Ebenso zeigt das System an, ob Ladesäulen verfügbar oder belegt sind. Der Audi e-tron Routenplaner bevorzugt die leistungsfähigen HPC-Ladestationen (HPC = High Power Charging = ultraschnelles Laden) und aktiviert bei den e-tron GT-Modellen die Vorkonditionierung der Batterie während der Fahrt.

Mit aktivem e-tron Routenplaner sucht das jeweilige Modell immer den effizientesten Weg zum Ziel. Zusätzlich zeigt der Reichweitenkalkulator für den Audi e-tron und den Audi e-tron Sportback auf der Website audi.de die Reichweitenunterschiede an – abhängig von Außentemperatur, Fahrmodus, Felgengröße und Einsatz von Heizung und Klimaanlage.

3. Laden bei tiefen Temperaturen

Das intelligente Battery-Management-System (BMS) kommuniziert mit der Ladesäule oder Wallbox, um den Ladestrom für ein möglichst schonendes AC-Laden zu optimieren. Das Aufladen wird automatisch gesteuert und das System beendet die Ladung, sobald die Batterie voll ist oder einen vorgegebenen Ladezustand von beispielsweise 80 Prozent erreicht hat. Während des Ladevorgangs überwacht das BMS die Spannungen der einzelnen Zellen und gleicht diese bei Bedarf aus. Außerdem schaltet die intelligente Steuerung die Batterieheizung zu. Wenn die Batterietemperatur unter eine gewisse Grenze fällt, reduziert das BMS automatisch die Ladeleistung, um einer vorzeitigen Alterung der Batterie vorzubeugen. Insgesamt wirkt sich langsames Laden positiv auf die Lebensdauer der Batterie aus. Außerdem empfiehlt es sich, bei kalten Außentemperaturen schnellstmöglich nach der Fahrt zu laden. Dann ist die Batterie noch aufgewärmt und lädt schonender und schneller wieder auf.

4. Reichweitenprognose im Kombiinstrument

Die Reichweitenprognose ergibt sich aus dem Ladezustand der Hochvoltbatterie und dem prognostizierten Energieverbrauch. Dieser ist von mehreren Faktoren abhängig. Den größten Einfluss hat hierbei der Antriebsverbrauch. Weit dahinter folgen erst die Komfortverbraucher und die Klimatisierung. Für die prognostizierte Reichweite unterscheidet Audi zwei Szenarien: aktive Navigationsroute und inaktive Navigation. Bei aktiver Navigationsroute wird der projizierte Verbrauch sowohl aus dem Streckenprofil (Geschwindigkeitsbegrenzungen, Freifahrt, Höhenunterschiede), den aktuellen Verkehrsdaten wie zum Beispiel einem Stau sowie aus dem Mittelwert des Energieverbrauchs der letzten 100 Kilometer berechnet. Darüber hinaus wird für die gesamte anstehende Fahrt der erwartete Komfort- und Klimatisierungsverbrauch geschätzt. Ist die Navigation inaktiv, wird für den Antriebsverbrauch der Mittelwert der letzten 100 Kilometer angesetzt. Der Komfort- und Klimatisierungsverbrauch wird ebenfalls geschätzt. Nutzer:innen erkennen beim Ein- und Ausschalten von Komfortverbrauchern über den Reichweitenmonitor den direkten Einfluss in der Reichweitenprognose.

5. Pflege der Hochvoltbatterie

Wer häufig Kurzstrecken fährt, sollte die Batterie bis maximal 80 Prozent aufladen, um ihre Kapazität für längere Reichweiten zu schonen und die Lebensdauer zu verlängern. Auf der anderen Seite gilt es, eine dauerhafte Tiefenentladung, wenn der Ladezustand unter 20 Prozent sinkt, zu vermeiden. Wer häufig lange Strecken fährt, kann bis 100 Prozent laden, sollte dann aber anschließend gleich losfahren. Wer länger als zwölf Stunden steht, hält den Ladestand im Winter idealerweise im Fenster zwischen 40 und 80 Prozent.

6. Geo-Ladeprofile

Mit dieser automatisierten Funktion im Audi e-tron wird im Fahrzeug hinterlegt, dass Fahrer:innen an bestimmten Orten zuvor konfigurierte Ladeprofile aktivieren und laden können. Nachdem ortsbasierte Ladeeinstellungen im MMI eingestellt und mit Hilfe der GPS-Koordinaten gespeichert sind, lassen sich die Ladeeinstellungen und das Zeitfenster für den Ladevorgang konfigurieren. Diese Ladeprofile können Nutzer:innen für mehrere Adressen festlegen.

7. Prädiktive Vorkonditionierung

Um die hohe HPC-Ladeleistung von bis zu 270 Kilowatt des Audi e-tron GT nutzen zu können, ist eine bestimmte Temperatur der Hochvoltbatterie erforderlich. Erreicht wird dies auch durch eine angepasste Vorkonditionierung der Batterie während der Fahrt. Wenn im e-tron Routenplaner eine HPC-Ladesäule als Ziel eingegeben wird, berechnet ein Algorithmus die voraussichtliche Ankunftszeit und leitet daraus die nötige Heiz- oder Kühlleistung ab, um an der Ladesäule auf Anhieb eine hohe Ladeleistung für eine kurze Standzeit abrufen zu können. Auch der Innenraum wird dann, wenn Kund:innen das wünschen, entsprechend temperiert.

8. Fahrwiderstände und Komfortverbraucher reduzieren

Mit geringeren Felgengrößen und schmaleren Reifen sowie dem richtigen Luftdruck lässt sich der Rollwiderstand der Reifen im Winter reduzieren. Dagegen erhöhen Dachboxen den Luftwiderstand. Im Auto sparen Lenkrad- und Sitzheizung Energie, da diese näher am Körper wirkt und weniger Strom verbraucht. Die Umstellung auf den Umluftmodus reduziert den Reichweitenverlust.

Quelle: UD/cp
 

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