Intelligentes Thermomanagement in Audi-Modellen bewahrt Reichweite und Leistung

Niedrige Außentemperaturen verschärfen das Problem – und beeinflussen die Leistung von Hochvoltbatterien. Die Sorge um übermäßige Reichweitenverluste bei elektrischen Audi-Modellen ist jedoch unbegründet: Mit intelligentem Thermomanagement sorgt die Marke für herausragende Leistung und Reichweite in ihren Fahrzeugen; spezielle Schutzmechanismen sorgen für eine lange Batterielebensdauer. Im Interview erklären Pierre Woltmann, Leiter des Thermomanagements für Hochvoltbatterien bei Audi, und Thomas Anzenberger von der virtuellen Funktionsentwicklung des Thermomanagements, wie das Unternehmen mit den Vier Ringen die Herausforderungen des Winterbetriebs effektiv bewältigt.

Müssen sich Fahrer von elektrischen Audi-Modellen über Einschränkungen im Winter Gedanken machen?

Thomas Anzenberger: Diese Frage kann ich mit einem eindeutigen Nein beantworten. Allein die Größe unserer Hochvoltbatterien lässt Zweifel an Leistung und Reichweite im Winter unberechtigt aufkommen. Unser intelligentes Thermomanagement wählt immer die effizientesten Methoden aus, um die Batterie und den Innenraum im Winter angemessen zu beheizen. Dadurch haben Hochvoltbatterien eine lange Lebensdauer, wenn unsere Kunden über sogenannte AC-Ladestationen oder eine Home Wallbox für jede Saison eine Vorbedingung haben. Diese Funktion ist besonders im Winter sinnvoll. Es geht den Zellen leicht und minimiert gleichzeitig den Reichweitenverlust, da sich die Batterie bereits im optimalen Temperaturbereich befindet und daher nicht so viel erhitzt werden muss.

Wie wirkt sich die Kälte auf eine Hochvoltbatterie aus?

Pierre Woltmann: Die Leistung einer Hochvoltbatterie hängt grundsätzlich vom Ladezustand und der Temperatur ab. Je kälter sie ist, desto weniger Leistung kann die Batterie liefern. Elektrochemische Prozesse sind ein Faktor dafür. Bei kalten Batterietemperaturen steigt der elektrische Innenwiderstand der Batterie und die nutzbare Kapazität sinkt. Wir schützen die Batterie, indem wir bei niedrigerer Temperatur weniger Strom freisetzen. Darüber hinaus kann die Batterie die Abwärme von flüssigkeitsgekühlten Hochvoltkomponenten wie der Leistungselektronik, dem Antriebssystem und dem Ladegerät aufnehmen und direkt durch eine Kühlmittelheizung aufgeheizt werden.

Welche Auswirkungen hat Kälte auf das Laden?

Woltmann: Ladezeit kann bei niedrigen Batterietemperaturen länger dauern. Aus diesem Grund muss die Batterie während des Ladevorgangs aufgeheizt werden, idealerweise sogar auf dem Weg zum Laden. Beim Anschluss an den Ladepunkt kommuniziert das Fahrzeug automatisch mit der Stromquelle.

So weiß der Ladepunkt, wie viel Strom die Batterie zu jeder Zeit aufnehmen kann. So stellen wir sicher, dass die Batterie nicht überlastet ist. Beim Laden bezieht die Batterie den Strom, den sie für die Heizleistung benötigt, vom Ladepunkt.

Was ist die Aufgabe des Thermomanagements?

Anzenberger: Grundsätzlich ist das Thermomanagement für die Verteilung der Wärmeströme zwischen Antriebssystem, Hochvoltbatterie und Innenraum zuständig. Unser Wärmepumpensystem hat sich in diesem Zusammenhang vor allem gut bewährt. Es wandelt Energie aus dem Antriebsstrang oder der Umgebungsluft um. Das ist Wärme, die für die Batterie oder im Winter auch für den Innenraum zur Verfügung steht. Die Nutzung der Umgebungsluft als Energiequelle ist relativ neu: Wir nutzen sie, um die sinkende Abwärme aus dem Antriebsstrang auszugleichen, der immer effizienter arbeitet. So haben wir über den Antriebsstrang und die Umgebungsluft Zugang zu zwei voneinander unabhängigen Systemen, mit denen wir den Innenraum und die Hochvoltbatterie beheizen.

Wie wird die Temperatur der Batterie und des Innenraums während der Fahrt geregelt?

AnzenbergerUm auch bei sehr kalten Temperaturen eine zuverlässige Wärmeversorgung zu gewährleisten, integriert unser Wärmepumpensystem, das in den meisten unserer Elektromodelle eingebaut ist, zusätzliche Hochvoltheizungen in die Betriebsstrategie. Das sorgt auch in Extremsituationen für einen komfortablen Innenraum und liefert schnell die ideale Batterietemperatur von etwa 25 bis 30 Grad Celsius (77 bis 86 Grad Fahrenheit) für maximale Leistung. Eine zweite Elektroheizung ist in unserem Winterpaket für die besonders kalten nördlichen Länder erhältlich. Eine zusätzliche Heizung für Elektrofahrräder ist in einigen Modellen auch optional erhältlich.

WoltmannWenn unsere Kunden bei kalten Außentemperaturen mit maximaler Effizienz fahren wollen, heizt der Thermomanagement-Algorithmus die Batterie auf niedrigere Temperaturen auf und erhöht dadurch zwar weniger Fahrleistung, erhöht aber auch die Reichweite des Fahrzeugs.

Welche technischen Zusatzlösungen hat Audi entwickelt, um die Hochvoltbatterie unabhängig von Temperatureinflüssen zu machen?

Woltmann: Als Schnittpunkt mit dem Thermomanagement bieten wir eine sogenannte Vorkonditionierung an, die sich sowohl auf die Batterie als auch auf den Innenraum positiv auswirkt. Mit dem Lade- und Abfahrtstimer ist es möglich, die genaue Abfahrtszeit mit dem Lade- und Abfahrtstimer einzustellen – direkt im Fahrzeug oder mit der myAudi App. Dadurch lädt der automatische Ladevorgang die Batterie auf das voreingestellte Niveau und eine günstige Temperatur so nah wie möglich an der Abfahrtszeit. So wird der Reichweitenverlust durch das Aufheizen der Batterie deutlich reduziert. Darüber hinaus passt die Vorkonditionierung die Temperatur des Fahrzeuginnenraums vor der Abfahrt auf das gewünschte Niveau an.

Anzenberger: Beim e-tron GT quattro und RS e-tron GT funktioniert die Konditionierung für den Ladevorgang sogar automatisch während der Fahrt, um an Schnellladestationen eine gleichbleibend hohe Ladeleistung zu erreichen, nämlich wenn in diesen Modellen der e-tron Routenplaner eingesetzt wird. Das intelligente Thermomanagement bringt die Batterie dann zusätzlich zur Vorkonditionierung je nach Außenlufttemperatur zusätzlich in einen Temperaturbereich, der für das Laden während der Fahrt des Autos und vor dem Ladebeginn optimal ist.

Diese zusätzliche mobile Vorkonditionierung der Batterie im e-tron GT quattro und RS e-tron GT sorgt für bestmögliche und schnellstmögliche Ladeergebnisse.

Wie reduziert Audi den Reichweitenverlust durch Heizung des Innenraums?

Woltmann: Im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor steht einem Elektroauto viel weniger Abwärme und Energie zur Heizung zur Verfügung. Die Wärme, die Batterie, Elektromotor und Leistungselektronik erzeugen, kann mit einer Wärmepumpe in den Innenraum geleitet werden. Im Grunde arbeitet die Wärmepumpe wie ein Kühlschrank – aber umgekehrt. Je mehr Abwärme zur Verfügung steht, desto effizienter arbeitet die Pumpe. Im besten Fall kann sie aus einem Kilowatt elektrischer Energie bis zu drei Kilowatt Wärme erzeugen. Diese Technologie ist besonders im Winter sehr nützlich, weil sie ein thermoelektrisches Heizelement ersetzt. Je nach Außentemperatur kann die Wärmepumpe im Vergleich zu einer herkömmlichen Heizung einen höheren Bereich erreichen.

Was können Kunden, die keine Garage zur Verfügung haben, tun?

Woltmann : Jeder, der mehr Reichweite benötigt, sobald er ins Auto steigt, sollte eine Vorbedingung haben. Idealerweise sollte dies durch Wechselstromladung erfolgen, was im Allgemeinen effizienter ist als DC-Ladung, weil es aufgrund der geringeren Ströme weniger Stromverluste gibt. Wechselstromladung ist auch schonender, weil sie die Batterie nicht so stark belastet. Es fließt weniger Stromstärke mit Wechselstromladung. Die Batterie kann das auch bei sehr niedrigen Batterietemperaturen aufnehmen, was bedeutet, dass die Batterie nicht so viel erhitzt werden muss. Das Aufladen sollte – unabhängig davon, ob AC oder DC – unmittelbar vor Fahrtantritt über den Abfahrtstimer erfolgen, um die höhere Batterietemperatur zur Reichweitensteigerung zu nutzen oder unmittelbar nach Fahrtantritt, um die höhere Batterietemperatur zur schnelleren und effizienteren Aufladung zu nutzen.

Was passiert mit einer kalten Batterie an einer Schnellladestation?

Woltmann: Unabhängig vom Modell erkennt der Algorithmus im Fahrzeug, wenn das Fahrzeug an einer DC-Schnellladestation geladen wird. Die Ströme werden unabhängig vom Ladezustand und der Temperatur freigesetzt. Mit der aktiven Heizung, die wir implementiert haben, reduzieren wir die Ladezeit bei kalten Temperaturen erheblich.

Wann erreichen Hochvoltbatterien ihre Grenzen?

Woltmann: Zum Schutz der Batterie geben wir ab Minus 30 Grad (-22 Fahrenheit) keinen Strom mehr ab. Dazu müsste das Auto aber über einen langen Zeitraum einer solchen extremen Temperatur ausgesetzt sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, ein e-tron Modell mit ausreichend Ladezustand und eine vorgewärmte Hochvoltbatterie bei Außentemperaturen von Minus 30 Grad zu fahren.

Aus technischer Sicht, welche zusätzlichen Ratschläge können Sie für den Winter geben?

Anzenberger: Durch den Einsatz des Autocomputers und des Reichweitenmonitors im Audi MMI mit Reichweitenvorhersage während der Fahrt können Kunden direkt ablesen, wie viel Reichweite sie gewinnen, wenn beispielsweise die Innentemperatur gesenkt wird. Die Reichweite kann mit dem Reichweitenmodus erhöht werden. Dies schränkt Komfortfunktionen, Antriebsleistung und die maximale Geschwindigkeit ein wenig ein.

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