Wärmemanagement für elektrische Baumaschinen

Mit der Elektrifizierung schwerer Maschinen verändern sich nicht nur Antriebskonzepte, sondern auch die Anforderungen an Kühlung und Heiztechnik grundlegend.

Während klassische Dieselmotoren große Mengen Abwärme erzeugen, arbeiten batterieelektrische Systeme deutlich effizienter – und liefern dadurch erheblich weniger nutzbare Wärme für Heizung oder Temperierung. Auf der bauma in München zeigt AKG Thermotechnik deshalb neue Lösungen für kompakte Klimakreisläufe und Wärmemanagement in elektrischen Fahrzeugen. Im Mittelpunkt stehen spezielle Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher, sogenannte Stack-Gel-Cooler. Sie sollen gleichzeitig kaltes und warmes Wasser bereitstellen und dadurch unterschiedliche Funktionen innerhalb elektrischer Maschinen übernehmen. Das reicht von der Klimatisierung der Fahrerkabine bis zur Temperaturregelung von Batterien und Leistungselektronik. Gerade bei batterieelektrischen Baumaschinen entwickelt sich das Thermomanagement zunehmend zu einem zentralen technischen Faktor. Denn Reichweite, Ladefähigkeit und Lebensdauer hängen stark davon ab, wie präzise Batterien und elektrische Komponenten temperiert werden.

AKG Thermotechnik entwickelt kompakte Stack-Gel-Cooler

Die vorgestellten Systeme basieren auf besonders kompakten Wärmetauschern für unterschiedliche Temperaturkreisläufe. Ziel ist es, Heiz- und Kühlfunktionen möglichst effizient in einem gemeinsamen System zusammenzuführen. Das Unternehmen beschreibt dabei einen Ansatz, bei dem warmes Wasser anstelle klassischer elektrischer Heizelemente genutzt wird. So kann beispielsweise die Fahrgast- oder Fahrerkabine beheizt werden, ohne zusätzliche elektrische Heizregister einzusetzen. Gleichzeitig dient das temperierte Wasser zur Kühlung oder Vorwärmung elektrischer Komponenten. Gerade Batterien, Wechselrichter und Leistungselektronik reagieren empfindlich auf Temperaturschwankungen und benötigen stabile Betriebsbedingungen. Besonders anspruchsvoll wird dies bei niedrigen Außentemperaturen. Während ein Dieselmotor schnell große Mengen Wärme produziert, entsteht bei elektrischen Antrieben deutlich weniger Abwärme. Genau daraus ergeben sich neue Herausforderungen für die Heiztechnik.

Elektrische Fahrzeuge benötigen mehrere Kühlkreisläufe

Nach Angaben des Unternehmens arbeiten moderne batterieelektrische Fahrzeuge häufig mit unterschiedlichen Temperaturzonen. Teilweise entstehen dabei Temperaturdifferenzen von 60 bis 80 Grad gegenüber der Umgebung. Dadurch reichen einfache Kühlsysteme nicht mehr aus. Stattdessen kommen mehrere getrennte Kältekreisläufe zum Einsatz, die unterschiedliche Komponenten individuell temperieren. Wichtige Bestandteile des vorgestellten Systems:

• kompakte Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher
• Bereitstellung von warmem und kaltem Wasser
• Temperierung elektrischer Komponenten und Batterien
• mehrere getrennte Kältekreisläufe
• leichte und platzsparende Wärmetauscher

Wärmespeicher sollen Heizprobleme im Winter lösen

Ein weiterer Schwerpunkt der Entwicklung betrifft Wärmespeichersysteme. Sie sollen kurzfristig zusätzliche Wärme bereitstellen, bevor elektrische Komponenten ausreichend Eigenwärme erzeugen. Der Hintergrund ist ein typisches Problem batterieelektrischer Fahrzeuge: Weil Elektrosysteme deutlich effizienter arbeiten als Verbrennungsmotoren, entsteht anfangs nur wenig nutzbare Abwärme. Fahrer müssten ansonsten teilweise zehn bis fünfzehn Minuten warten, bis Innenräume oder Komponenten ausreichend temperiert sind. Genau an diesem Punkt setzt der Wärmespeicher an. Er soll bereits gespeicherte Energie kurzfristig abrufen können und dadurch schneller Wärme bereitstellen. Davon profitieren nicht nur Fahrer oder Bediener, sondern auch die Batterie selbst. Denn Batteriezellen arbeiten nur innerhalb bestimmter Temperaturfenster optimal. Besonders bei niedrigen Temperaturen sinken Leistungsfähigkeit und Ladegeschwindigkeit deutlich. Eine schnelle Vorwärmung könnte deshalb sowohl Komfort als auch Effizienz verbessern.

Thermomanagement wird zum Schlüssel elektrischer Maschinen

Die Präsentation auf der bauma zeigt einen größeren Wandel innerhalb der Branche. Während früher vor allem Motorleistung oder Hydrauliksysteme im Mittelpunkt standen, rückt heute zunehmend das Thermomanagement in den Fokus. Gerade batterieelektrische Baumaschinen benötigen hochkomplexe Temperaturregelungen. Zu hohe Temperaturen können Batterien schädigen, zu niedrige Temperaturen reduzieren Leistung und Reichweite. Hinzu kommt der steigende Druck, Fahrzeuge energieeffizienter auszulegen. Jede zusätzliche elektrische Heizleistung belastet direkt die Batterie und reduziert die verfügbare Arbeitszeit der Maschine. Deshalb versuchen Hersteller zunehmend, vorhandene Wärme möglichst effizient zu nutzen und in intelligente Kreislaufsysteme einzubinden.

Elektrifizierung verändert die gesamte Fahrzeugarchitektur

Die Entwicklung macht deutlich, dass die Elektrifizierung weit über den Austausch des Motors hinausgeht. Praktisch alle technischen Bereiche moderner Maschinen verändern sich – von der Kühlung über die Kabinenheizung bis zur Steuerung der Batterie. Gerade im schweren Maschinenbau entstehen dadurch neue technische Anforderungen, die lange Zeit kaum relevant waren. Thermische Speicher, mehrstufige Kühlkreisläufe und kompakte Wärmetauscher gehören inzwischen zu den entscheidenden Komponenten elektrischer Fahrzeuge. AKG Thermotechnik positioniert sich dabei in einem Bereich, der für die Alltagstauglichkeit elektrischer Maschinen zunehmend entscheidend wird. Denn je stärker Bau- und Nutzfahrzeuge elektrifiziert werden, desto wichtiger wird die Frage, wie Energie, Temperatur und Komfort effizient miteinander verbunden werden können.