Schlüsseltechnologie Thermomanagement

Unabhängig davon, ob fossiler Kraftstoff oder Strom ein modernes Nutzfahrzeug antreibt: Das Thermomanagement spielt eine zentrale Rolle. Neben dem Heizen und Kühlen der Fahrerkabine kommt bei E-Trucks das Temperieren der Batterie und der Leistungselektronik hinzu. Da es für die optimale Zu- und Abfuhr von Wärme nur ein enges Temperaturfenster gibt, steht beim künftigen Klima-Service die Wartung, Diagnose und Reparatur der verschiedenen Kälte- und Kühlkreisläufe im Fokus.

Die Anforderungen an das Thermomanagement elektrisch angetriebener Nutzfahrzeuge – vom Transporter bis hin zum schweren Lkw – sind fraglos hoch. Dadurch bekommt das Thema Klimaservice in Nutzfahrzeugwerkstätten künftig noch mehr Gewicht. Sicherlich lässt sich vieles vom vorhandenen Klima-Know-how auch bei elektrischen Antrieben anwenden. Die Voraussetzung: Der Nutzfahrzeugprofi ist durch eine entsprechende Hochvolt-Ausbildung (auf Grundlage der DGUV Information 209-093) autorisiert, eigenverantwortlich an elektrischen Antriebssystemen zu arbeiten. Dies erfordert mindestens eine HV-Qualifikation ‚Fachkundige Person für HV-Systeme Stufe 2S‘ (Freischalten von Fahrzeugen, Sicherung gegen Wiedereinschalten, Feststellen der Spannungsfreiheit). Für Arbeiten unter Spannung (AuS), was bei Problemen an komplexen Thermomanagementsystem durchaus vorkommen kann, ist die Qualifikation Stufe 3S erforderlich.

Auch wenn es sich bei den Arbeiten an den Kühl- und Kältekreisläufen prinzipiell um klassische Werkstattarbeiten handelt und elektrisch angetriebene Nutzfahrzeuge (noch) nicht in großen Stückzahlen in den Werkstätten stehen, werden Nfz-Fachleute ihr Wissen um die Besonderheiten der jeweiligen Kühl- und Kältesysteme bei E-Trucks erweitern müssen. Dazu gehört unter anderem, neue Komponenten und deren Funktionen kennenzulernen und sich fit bei der Handhabung neuer Werkstattgeräte zu machen. Möglicherweise ist aufgrund der im März 2024 in Kraft getretenen, neuen EU-Verordnung 2024/573, der sogenannten ‚F-Gase-Verordnung‘, ein neuer Sachkundenachweis nötig, oder eine Auffrischungsschulung für den bisherigen (nach EG-Nr. 307/2008) gemachten Nachweis.

Bislang kaum Werkstatterfahrungen.

Die Zahl batterieelektrisch angetriebener Nutzfahrzeuge – speziell in der Klasse über 12 Tonnen – wächst zwar beständig, aber immer noch verhalten. Lkw mit Brennstoffzellenantrieb in Kundenhand sind noch spärlicher gesät. Deshalb sind derzeit die praktischen Erfahrungen im Werkstattalltag noch sehr überschaubar. Dies liegt unter anderem auch daran, dass selbst die Hersteller noch Erfahrungen sammeln und Routine aufbauen müssen. Hinzu kommt, dass zwar schon zahlreiche Serien-E-Lkw im Kundenbetrieb laufen, bei Problemen aber oft ein speziell ausgebildetes Task-Force-Team des Herstellers zuerst vor Ort ist.

Thermomanagement

Auf dem Weg zu emissionsfreien Nutzfahrzeugantrieben spielt das Thermomanagement eine Schlüsselrolle. Bei batterieelektrischen Antriebssystemen und Antrieben mit Brennstoffzelle sind den Experten von Mahle zufolge die Anforderungen an das Thermomanagement im Vergleich zu Verbrennungsmotoren teilweise zwei- bis dreimal so hoch. Speziell Brennstoffzellen erfordern komplexe Kühlkreisläufe und größere Kühlmittelkühler. Außerdem stellen sie auch an die Peripherie hohe technische Ansprüche.
Aufgrund der höheren Gesamtabwärmemenge und des im Vergleich zum Verbrennungsmotor reduzierten Temperaturniveaus bei FCV sind drei separate Kühlkreisläufe notwendig: für den Brennstoffzellenstack, für die Antriebsbatterie samt Leistungselektronik und für die E-Maschine. Die systembedingt geringere Temperaturdifferenz zur Außentemperatur muss dabei durch ein höheres Kühlmittelvolumen kompensiert werden. Außerdem entfällt der bei Verbrennern übliche Riementrieb für den Kühlerlüfter, die Kühlmittelpumpe und den Klimakompressor, weshalb durchgehend elektrische Komponenten, also Kühlerlüfter, Kühlmittelpumpen und Kältemittelverdichter, notwendig sind.

Batterien direkt oder indirekt kühlen

Möchte man ein elektrisches Fahrzeug mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben, ist es notwendig, den E-Motor, die Leistungselektronik und die Batterie in einem optimalen Temperaturfenster zu halten. Bei E-Antrieben mit Li-Ionen-Batterie bedeutet das, die Temperatur darf nicht über die magische Grenze von 40 °C steigen. Während die E-Maschine und die Leistungselektronik permanent gekühlt werden müssen, muss die Batterie situationsbedingt gekühlt oder beheizt werden. Um dies zu bewerkstelligen, gibt es zwei Möglichkeiten: die vergleichsweise einfach aufgebaute, Kältemittel-basierende ‚direkte‘ Batteriekühlung oder – falls aufgrund leistungsstarker Batterien mehr Kühlleistung gefragt ist – die deutlich komplexere Kühl- und Kältemittel-basierende ‚indirekte‘ Batteriekühlung. Welche Variante zum Einsatz kommt, hängt von der Fahrzeuggröße, den Einsatz- und Betriebsbedingungen und den geographischen Verhältnissen ab.

Die direkte Kühlung

Der Kreislauf eines direkten Kühlsystems besteht aus den Hauptkomponenten Kondensator, Verdampfer und Batterieeinheit (Batteriezellen, Kühlplatte und elektrischer Zuheizer). Er wird vom Kältemittelkreislauf der Klimaanlage versorgt und über Ventile und Temperatursensoren separat gesteuert. Den Kältemitteldruck erzeugt ein elektrischer Kompressor.

Die indirekte Kühlung

Ein indirektes, Kühl- und Kältemittel-basiertes Kühlsystem ist in mehrere Einzelkreisläufe unterteilt, die jeweils über einen eigenen Kühler, eigene Kühlmittelpumpen und ein separates Kühlmittel-Absperrventil verfügen. Über einen zusätzlichen Wärmetauscher, den sogenannten Chiller, ist der Kältemittelkreislauf der Klimaanlage unterstützend mit eingebunden. Ein Hochvolt-Kühlmittel-Heizer ist bei niedrigen Außentemperaturen für die notwendige Temperierung der Batterie verantwortlich. Die Temperatur des Kühlmittels für den E-Motor und der Leistungselektronik wird in einem gesonderten Kreislauf mit Niedertemperaturkühler auf unter 60 °C gehalten. Um die volle Batterieleistung zu erzielen und eine möglichst lange Lebensdauer zu gewährleisten, wird die Temperatur des Kühlmittels mit einem Niedertemperaturkühler beständig zwischen 15 °C und 30 °C eingestellt. Bei zu hohen Temperaturen entzieht der Chiller, der sowohl in den Kühlmittel- als auch Kältemittelkreislauf eingebunden ist, dem Kältemittel zusätzlich Wärme. Als Regelelemente kommen bei E-Lkw keine herkömmlichen Thermostate, sondern ein System aus elektrischen Pumpen und Ventilen, welche von einem elektronischen Steuergerät angesteuert werden, zum Einsatz. Die zur exakten Steuerung notwendigen Daten liefern mehrere im System verteilte Temperatursensoren.

Die Kühlung der Batterie

Die Kühlung der Batterie selbst erfolgt mittels Kühlplatten innerhalb des Batteriemoduls, wobei sich die Platten seitlich und/oder unterhalb der Batteriesegmente befinden können. Bei der direkten Kühlung durchströmt das Kältemittel der Fahrtklimaanlage die Kühlplatten, bei der indirekten nimmt das Kühlmittel die Wärme auf und transportiert sie zum Kühlmittelkühler. Reicht bei der indirekten Kühlung die Kühlleistung nicht aus, kann das Kühlmittel zusätzlich noch im Chiller mit Kältemittel der Klimaanlage weiter heruntergekühlt werden.
Die Thermomanagement-Spezialisten von Mahle toppen dies noch mit einer bionisch inspirierten Kühlplatte, bei der die Fluid-Kanäle (durch die das Kühlmittel fließt) quasi Korallen nachempfunden sind. Nach eigenem Bekunden liefert die Platte aufgrund des speziellen Strömungsmusters etwa zehn Prozent mehr Kühlleistung als herkömmliche Designs.

Sensible Brennstoffzellen

Die Brennstoffzelle gehört zu den ‚Sensibelchen‘ im Thermomanagementsystem und verlangt eine permanente Kühlung. Das Kühlmittel darf jedoch weder elektrisch leitend sein, noch sich mit dem Kühlmittel des Antriebsstrangs vermischen, um Schäden zu vermeiden. Die Trennung ermöglicht ein Kühlmittel-zu-Kühlmittel-Kühler (Chiller), bei dem die Wärme vom Kühlmittel der Brennstoffzelle auf das Kühlmittel des Antriebsstrangs übertragen wird, ohne dass sich die Flüssigkeiten gegenseitig berühren und dadurch leitfähig werden. Zudem lässt sich das Volumen des Kühlkreislaufs damit kompakt halten.
Da Brennstoffzellen auf Ölbeimengungen in der Zuluft empfindlich reagieren, muss der elektrische Kompressor, der die Zuluft komprimiert, ölfrei arbeiten. Da selbst kleinste Schmiermittelmengen, beispielsweise von der Wellenlagerung, irreversible Schäden hervorrufen würden, sind außerdem spezielle abgedichtete Lager und Dichtungen, die eine Fettabgabe in Richtung Brennstoffzelle verhindern, erforderlich.
Eine weitere Kernkomponente bei wasserstoffbasierten Brennstoffzellenantrieben mit Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM-Brennstoffzelle) ist der Luftbefeuchter. Er schützt die Polymermembran vor dem Austrocknen, indem er die trockene Frischluft mit Wasserdampf aus der feuchten Abluft des Systems anreichert. Dies ist essenziell für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle.

Kälte- und Kühlmittel für elektrische Antriebe

Eine für den Werkstattfachmann wichtige Frage ist die nach den künftigen Kühl- und Kältemitteln. Wobei die Antwort beim Kühlmittel für die indirekte Batteriekühlung vergleichsweise einfach ist: Chemiespezialisten wie Liqui Moly bieten gebrauchsfertige Fertigmischungen mit niedrigem elektrischem Leitwert an, beispielsweise das Produkt EV 200 auf OAT-Basis. OAT steht für Organic-Acid-Technology und bezeichnet moderne Kühlmittel, die organische Säuren (Carboxylate) zur Korrosionsinhibition nutzen. Das Kühlmittel enthält Flussmittelinhibitoren, um Schäden durch Flussmittelreste im Kühlsystem zu verhindern. Anders als wasserbasierte Kühlflüssigkeiten reduziert das EV 200 die Bildung von Wasserstoff im Kühlsystem durch Hydrolyse.
Mischt die Nutzfahrzeugfachmann das Kühlmittel selbst aus einem Konzentrat an, darf er nur entionisiertes – auch deionisiertes oder vollentsalztes Wasser genannt – verwenden und nicht das in Werkstätten für den Batterieservice übliche, destillierte Wasser. Im Gegensatz zu destilliertem Wasser, das durch Kochen und Kondensation gereinigt wird, filtert man deionisiertes Wasser durch einen speziellen chemischen Prozess, der es ohne Erhitzen ultrarein macht und ihm fast alle gelösten Salze, Mineralien und Ionen entzieht.

Die Antwort bei Kältemitteln für die direkte Batteriekühlung fällt zweigeteilt aus: da diese Art der Kühlung das Kältemittel der Fahrzeugklimaanlage verwendet, hat es der Werkstattfachmann in der Hauptsache (noch) mit R134a und R1234yf zu tun. Darüber hinaus experimentieren die Hersteller von Thermomanagementsystemen auch mit anderen Kältemitteln, etwa R744 (CO2) und R290 (Propan). Bei der von ZF entwickelten Wärmepumpe ‚TherMaS‘ beispielsweise zirkuliert das umweltfreundliche, bislang aber noch nicht endgültig für Fahrzeug-Klimaanlagen freigegebene Propan in einem geschlossenen Kreislauf – wodurch sich ein regelmäßiger Kältemitteltausch erübrigt.
Auch für Brennstoffzellen gibt es spezielle Kühlmittel, etwa das elektrisch kaum leitende Produkt ‚FCF 20‘ von Liqui Moly. Es basiert auf Ethylenglykol, kombiniert mit nicht-ionischen Additiven. Den Produktinformationen zufolge vereint es eine optimale Wärmeableitung mit einer hervorragenden Materialverträglichkeit sowie Alterungsstabilität.

Spezielle Servicegeräte

Eine zentrale Frage für Nutzfahrzeugprofis ist, ob und in welchen Intervallen das Kälte- und Kühlmittel erneuert werden muss und mit welchem Equipment. Konkrete Fakten hierzu ließen sich bislang leider nicht recherchieren. Die Pkw-Fraktion scheint bei diesen Themen deutlich weiter. Wobei anzunehmen ist, dass auch bei E-Lkw bei den Kältemitteln von Klimaanlagen für die direkte Batteriekühlung die bislang üblichen Serviceintervalle gelten, sich die vorhandenen Klimaservicegeräte verwenden lassen und die bisherigen Arbeitsabläufe Gültigkeit haben. Nichtsdestotrotz sollte der Nfz-Profi beim Fluidmanagement darauf achten, dass elektrische Klimakompressoren nichtleitende Kältemittelöle und UV-Kontrastmittel verlangen. Das heißt, das Servicegerät ist bei einem Wechsel auf ‚nichtleitend‘ laut Bedienungsanweisung umzustellen und zu spülen, damit es zu keiner gefährlichen Quervermischung kommt.
Im Pkw-Bereich spricht man bei E- und Hybridfahrzeugen sehr wohl von einer regelmäßigen Wartung des Kühlsystems, um dessen Leistungsfähigkeit zu erhalten. Außerdem ist bei Reparaturen an der HV-Batterie oder beim Austausch einer Komponente aus dem Kühlmittelkreislauf das System fachgerecht zu entleeren und wieder zu füllen. Entsprechende Geräte für Pkw-Anwendungen sind bereits verfügbar, etwa das ‚E-CARE Fluid‘ von Mahle, das nach eigenem Bekunden vollautomatisiert entleeren und neu befüllen und dank eines integrierten Vakuum- und Drucktests den Kreislauf auch auf Lecks überprüfen kann.

Den Beitrag finden Sie auch in der Print-Ausgabe 2-2026 der Krafthand-Truck.

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Klaus Kuss, 08247 / 3007-177 | klaus.kuss@krafthand-medien.de