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Heiß – Kalt

Text 
Johannes Köbler

Fotos
Ulrike Myrzik

Wärmepumpe im Audi Q7 e-tron

Audi präsentiert die weltweit erste Wärmepumpe in einem Plug-in-Hybridmodell.
Sie klimatisiert den Innenraum mit neuartiger Effizienz.


Hauptbauteil: Ein sogenannter Scrollverdichter dient als elektrischer Kompressor. Das kompakte Bauteil bildet das Herzstück der Wärmepumpe.

Im Schatten der großen Baukomplexe der Technischen Entwicklung gelegen, wirkt das Technikgebäude N 16 klein und unscheinbar. Es dient als eine von fünf Kältezentralen des Kältever­bundes am Audi-Standort Ingolstadt, der sich über das ganze nördliche Werksgelände zieht. Pro Stunde strömen bis zu 4.000 Ku­bikmeter Kaltwasser durch die aufwendig isolierten Rohre des Verbundnetzes, sie versorgen die Kühldecken und Lüf­tungs­anlagen in vielen Büros ebenso wie die Lackiererei, den größten Verbraucher.

Termin in der N16 mit Dr. Klaus Straßer, dem Lei­ter für die Bereiche Simulation, Strömungstechnik und Ent­wicklung Thermomanagement Elektrifizierte Fahrzeuge. Mit seinem Team hat Straßer die Wärmepumpe im Audi Q7 3.0 TDI e-tron quattro entwickelt, der Anfang 2016 zu den deutschen Händ­lern kommt. Der neue Technikbaustein im Plug-in-Hybrid­modell und die großtechnische Kältemaschine machen sich dasselbe physikalische Prinzip zunutze: Durch einen Kreis­prozess mit den Phasen Verdichtung, Wärme­ab­fuhr, Expan­sion und Wärmeaufnahme kann mechanische Leistung in einen nutzbaren Wärmestrom umgewandelt werden.

In der Kältezentrale N 16 bringen vier Kälte­ma­schinen gemeinsam 10 Megawatt Kälteleistung auf, wofür ihre elektrisch angetriebenen Kompressoren nur zirka 1,8 Megawatt Leistung benötigen. Wenn das Verbund-Wasser im Rücklauf in die N 16 gelangt, beträgt seine Temperatur 12 Grad Cel­sius; wenn es nach dem Kühlprozess ins Netz zurückströmt, ist es auf 6 Grad abgekühlt. „Bei uns im Auto ist das prinzipiell ähnlich, wenn auch etwas komplizierter“, sagt Dr. Straßer. „Unsere Wärmepumpe sammelt die Verlust­wärme der Kom­ponenten im elektrischen Antriebsstrang ein und bringt sie auf ein höheres Temperaturniveau. So können wir mit einem Kilowatt elektrischer Leistung bis zu drei Kilowatt Heiz­leis­tung erzeugen.“

Die Multiquellen-Wärmepumpe für den neuen Audi Q7 e-tron quattro bietet viele überzeugende Stärken. Funktionsteamleiter Michael Schuster berichtet: „Bei der Entwicklung galten zwei große Leitlinien. Erstens: Wir wollen mit der Wärmepumpe die Reichweite im elektrischen Fahr­betrieb erhöhen. Zweitens: Der Kunde muss mindestens den gleichen Komfort genießen können wie in einem konventionellen Fahrzeug.“

Wir erzeugen mit einem Kilowatt elektrischer
Leistung bis zu drei Kilowatt Heizleistung.

Dr. Klaus Straßer
Leiter Entwicklung Thermomanagement
Elektrifizierte Fahrzeug

Audi hat beide Ziele erreicht. Gegenüber einer herkömmlichen Klimaanlage mit elektrischem Heizer spart die Wärmepumpe erheblich Energie. Im Alltag verlängert sie die elektrische Reichweite um etwa 15 Prozent, rund sieben Kilometer im Q7 e-tron 3.0 TDI quattro. Noch mehr Reich­weite erhält der Kunde, wenn er den Innenraum schon vor Fahrbeginn vortemperieren lässt, während das Auto noch an der Steck­dose lädt.

Im Winter heizen die Wärmepumpe und der in das System integrierte elektrische Heizer den Innenraum des Audi Q7 e-tron 3.0 TDI quattro schnell auf die vom Fahrer gewünschte Temperatur auf. Danach kann ihn die Wärme­pumpe bis zu einer Außentemperatur von null Grad Celsius alleine auf der Wohlfühltemperatur halten, die meist um 22 Grad liegt. Wenn es bei feuchter Witterung darum geht, den Beschlag der Scheiben zu verhindern, spielt die Wärmepumpe eine weitere Stärke aus: Mit ihr ist es möglich, die frische Luft zunächst zu kühlen und dabei zu entfeuchten und anschließend ohne elektrischen Heizer wieder zu erwärmen. Konven­tio­nelle Heizsysteme von elektrisch betriebenen Fahrzeugen müssen hier zweimal Energie aufwenden.

„Ich bin stolz auf das, was mein Team geleistet hat“, sagt Dr. Klaus Straßer. „Mit der Wärmepumpe im Q7 e-tron quattro präsentieren wir eine Schlüsseltechnologie für das elektrische Fahren und zugleich eine Weltneuheit. Denn diese Technologie gab es noch nie in einem Plug-in-Hybrid­fahrzeug.“

Das Team

Der erste Audi mit einer Wärmepumpe war der R8 e-tron – die Erfahrungen, die Audi mit dem elektrisch angetriebenen Hochleistungssportwagen gesammelt hat, flossen voll in das neue Projekt Q7 e-tron quattro ein. Seine Entwicklungsarbeit vollzog sich in einem interdis­ziplinären Team, in dem Fachleute aus Simulation, Versuch Regelung und Konstruktion eng zusammenarbeiteten.

Die Kernkomponenten – der elektrische Klimakompressor, der indirekte Kondensator, die Kältekreisventile, die Drucktemperatursensoren sowie das TME-Steuergerät – sind als Konzernmodule konzipiert. Damit eignen sich diese Bauteile, die unter Leitung von Martin Kronbichler entwickelt wurden, für den marken- und modellübergreifenden Einsatz. Auch bei der Software, die im Team von Thomas Kobs entstand, handelt es sich um eine Eigenentwicklung – das spezielle Know-how, das hier geschaffen wurde, bleibt geschützt.

Von links:
Dr. Klaus Straßer (Leiter), Christian Stippler (Versuchsingenieur), Bert Brandes (Koordination Bauteilentwicklung), Erwin Sander (Konstruktion Kältemittelkreislauf), Michael Schuster (Funktionsteamleiter), Martin Kronbichler (Leiter System- und Bauteil­entwicklung), Andreas Djermester (Regelung und Applikation), Frank Meller (Kühlungsauslegung, Simulation).

Auf dem Bild fehlen:
Thomas Kobs (Leiter Funktionsentwicklung), Thomas Wegele (Versuchsingenieur), Stephen Rost (Entwickler Klimakompressor) und Tim Groke (Konstruktion Kühlmittelkreis).

200 Schaltzustände

Als integraler Bestandteil des Thermo­managements im Audi Q7 e-tron quattro ist die Wärmepumpe mit drei Kühlmittelkreisen verbunden, in denen Temperaturen von –30 bis +110 Grad Celsius herrschen können. Der Hochtemperatur-Kreis versorgt den 3.0 TDI, dessen Nebenaggregate sowie das Automatikgetriebe. Der Niedertemperatur-kreis temperiert die E-Maschine und ihre Leistungselektronik. Ein weiterer Kreis kühlt die Batterie und das Ladegerät; er lässt sich an die Klimaanlage und an den NT-Kreis der E-Maschine ankoppeln.

Um die Kreise hinsichtlich Komfort, Fahr­zeug-­Performance und Effizienz optimal mit­einander zu verschalten, nutzt das System eine Vielzahl von Sensoren, Ventilen und Pumpen. Das TME-Steuergerät kommuniziert mit weiteren Steuergeräten (siehe Bild), um je nach Anforderung den besten von über 200 möglichen Schaltzuständen zu wählen.

1
Steuergerät
Thermomanagement
2
Steuergerät Batterie
3
Steuergerät
Leistungselektronik
4
Steuergerät
Klimabedienteil
5
Motorsteuergerät


Breit vernetzt: Wichtige Steuergeräte im Zusammenspiel mit der Wärmepumpe.

6
E-Maschine
7
Leistungselektronik
8
Hochvolt-Batterie
9
Ladegerät


Das Kühlsystem: Die Hauptbausteine des elektrischen Antriebsstrangs.

Heizen und trocknen

Die drei wichtigsten Betriebszustände der Wärmepumpe sind der Heizbetrieb, der Kühlbetrieb und der Reheat-
Betrieb zum Entfeuchten der Luft.

Heizbetrieb: Zum Heizen des Innenraums verdichtet der elektrische Klimakompressor gasförmiges Kältemittel, wobei er es stark erwärmt. Der indirekte Kondensator, ein kompakter Plattenwärmetauscher, überträgt die Wärme des heißen Gases auf den Heizkreis des Innenraums, wobei das Gas abgekühlt und verflüssigt wird.

Das nunmehr flüssige Kältemittel wird über ein elektrisches Expansionsventil ent­spannt und verdampft anschließend im Chiller, einem weiteren Plattenwärmetauscher. Dabei entzieht der Chiller dem Niedertemperaturkreis des elektrischen Antriebsstrangs Wärme, wodurch dessen Temperatur um etwa 3 bis 5 Grad Celsius absinkt. Mit diesem Prozess macht die Wärmepumpe die Abwärme des elektrischen Antriebsstranges für die Heizung des Innenraumes nutzbar.

Reheat-Betrieb: Hier wird die Luft zunächst gekühlt und dabei entfeuchtet und anschließend wieder erwärmt. Der indirekte Kondensator stellt dem Innenraum die Wärme zur Verfügung, die bei der Abkühlung der Luft vom Kältemittel aufgenommen worden ist. Bei Bedarf kann das System zu­dem über den Chiller auf die Abwärme des elektrischen Antriebsstrangs zugreifen.

Kühlbetrieb: Das heiße, gasförmige Kältemittel wird nicht wie beim Heizbetrieb im indirekten Wärmetauscher verflüssigt, sondern im großen Kondensator in der Fahrzeugfront. Es wird expandiert, verdampft im Verdampfer des Klimageräts und kühlt so den Innenraum.

Reheat-Betrieb

Heizbetrieb

1
PTC-Gerät auf Hochvolt-Basis als elektrischer Heizer
2
Wärmetauscher im Klimagerät für die Innenraumheizung
3
Chiller als Wärme­tauscher zwischen NT-Kreis und Wärmepumpe
4
Ventilblock 5 Indirekter Kondensator der Wärmepumpe
5
Indirekter Kondensator der Wärmepumpe
6
Elektrisch angetriebener Scrollverdichter
7
Kondensator vor dem Hauptwasserkühler