CO2-Wärmepumpenlösung für Elektrofahrzeuge

Dec 03, 2023

Laut Nina Piesch, Forschungsassistentin an der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU), sind CO2-Wärmepumpen (R744) in Elektrofahrzeugen (EVs) bei Umgebungstemperaturen unter 0 °C (32 °F) hocheffizient.

Piesch stützte diesen Kommentar auf ein Forschungspapier – „R744-Wärmepumpenlösung für Elektrofahrzeuge“, eine Übersicht über frühere Forschungsergebnisse – das sie auf der 10. Konferenz des International Institute of Refrigeration (IIR) vorstellte, die am 27. April in Ohrid, Nordmazedonien, stattfand. 29.

CO2-Wärmepumpen weisen in Elektrofahrzeugen aufgrund ihrer erhöhten Saugdampfdichte eine höhere Effizienz auf, was in kälteren Klimazonen ein erheblicher Vorteil sei, sagte sie.

Darüber hinaus macht R744 die Notwendigkeit einer Zusatzheizung überflüssig, einer kostenintensiven Komponente, die typischerweise in herkömmlichen Systemen vorhanden ist, betonte sie und fügte hinzu, dass dies die Gesamteffizienz von Elektrofahrzeugen steigere und sie zu einer attraktiveren und kostengünstigeren Option für Kunden mache.

Zuvor haben einige Forscher ein R744-System für Elektrofahrzeuge im Heizmodus bei Umgebungstemperaturen zwischen 0 °C und -20 °C (-4 °F) getestet. Die Forscher stellten fest, dass extrem niedrige Außentemperaturen und hohe Austrittstemperaturen die Komponententoleranz beeinträchtigen könnten. Um dieses Problem anzugehen, führten sie eine zweistufige Verdichtung mit Zwischenkühlung ein. Dies führte zu einer Reduzierung der Austrittstemperatur sowie zu einer verbesserten Heizleistung und einem besseren COP.

Unterdessen hat sich der chinesische Forscher Anci Wang von der Xi'an Jiatong University kürzlich mit Enteisungsstrategien in Elektrofahrzeugen befasst, die transkritische CO2-Wärmepumpen verwenden. Diese Studie ergab, dass herkömmliches Abtauen zu verschiedenen falschen Abtauphänomenen und sogar zu Schäden am Kompressor und an den Leitungen in Elektrofahrzeugen führen kann. Als Lösung schlugen die Forscher daher eine neue Abtaustrategie vor: die Verwendung der maximalen Austrittstemperatur als neues Kriterium für die Abtausteuerung. Dieser Ansatz verbesserte die Enteisungsleistung in Elektrofahrzeugen.

In einer weiteren Studie von Wang untersuchten Forscher das Batteriemanagement von Elektrofahrzeugen mit zweiphasiger Kältemittel-Direktkühlung in einem transkritischen CO2-System. Mithilfe eines parallelen Wärmemanagementmodells für die Batterie und den Innenraum bewerteten sie das Batteriewärmemanagement anhand der Batterietemperatur und ihrer gleichmäßigen Temperaturunterschiede.

Diese Parameter wurden durch die Verdampfungstemperatur und die Dampfqualität in der Kühlplatte reguliert. Die Studie ergab, dass die parallele direkte Kühlung der Batterie und des Fahrgastraums mit R744 als Arbeitsflüssigkeit die Oberflächentemperatur und Gleichmäßigkeit der Batterie effektiv steuern und so die Effizienz steigern kann.

„In Elektrofahrzeugen zeigt R744 im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Kältemitteln R1234yf und R134a eine überlegene Leistung, insbesondere im Heizbetrieb“, sagte Piesch.

R744-Wärmepumpen in Elektrofahrzeugen sorgen nicht nur für Sicherheit, da es nicht brennbar ist, sondern verringern auch die globale Umweltbelastung aufgrund des niedrigen GWP, fügte sie hinzu.

Obwohl R744 über ein erhebliches Potenzial verfügt, „bedarf es einer Änderung der Denk- und Designprinzipien, um seine Vorteile voll auszuschöpfen“, fügte Piesch hinzu.

„Weitere Arbeiten sollten sich auf die Prozessgestaltung und Betriebsstrategien konzentrieren, die speziell auf die Eigenschaften von R744 abgestimmt sind, um eine noch höhere Leistung zu erreichen“, sagte sie. „Eine höhere Wärmeabgabe und Drosselverluste von R744 im Vergleich zu anderen Kältemitteln könnten potenzielle Möglichkeiten für Effizienzverbesserungen bieten, wie z. B. die Rückgewinnung der Expansionsarbeit mit Ejektoren.“

Einige Automobilhersteller haben bereits CO2-Wärmepumpen implementiert, darunter auch Volkswagen in seinen Fahrzeugen ID.3 und ID.4.

„In Elektrofahrzeugen zeigt R744 im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Kältemitteln R1234yf und R134a eine überlegene Leistung, insbesondere im Heizmodus.“