Thermomanagement in elektrischen Baumaschinen

WEBASTO Die Elektrifizierung von Baumaschinen nimmt zusehends Fahrt auf, die positiven Auswirkungen sind offensichtlich: weniger CO₂-Emissionen und Lärmbelästigung, ein Punkt, der gerade auf innerstädtischen Baustellen mittlerweile einen hohen Stellenwert einnimmt. Für Hersteller hat das Thema auch aus strategischer Sicht hohe Priorität: Sie müssen ihre Baumaschinen elektrifizieren, um auch zukünftig konkurrenzfähig zu bleiben. Doch gerade die Integration des Thermomanagements stellt Hersteller häufig vor Herausforderungen.

Um zu verstehen, warum ein Thermomanagement essenziell für die Elektrifizierung von Baumaschinen ist, lohnt sich ein Blick auf einen ganz anderen Bereich: die Bekleidung. Tragen Menschen bei heißem Wetter zu viel Kleidung oder bei kaltem Wetter zu wenig, fühlen sie sich unwohl und können nicht 100 % ihrer Leistung abrufen.

Ähnlich verhält es sich mit Batterien. Befindet sich deren Temperatur nicht im optimalen Bereich, verlieren sie ebenfalls Leistung beziehungsweise können überhitzen. Und auch die Fahrerkabine will, wenn es kalt ist, geheizt werden, sodass die Maschinenführer ihre Arbeit ebenfalls ohne Einschränkung verrichten können. Gerade für Baumaschinen, die im Sommer wie Winter auch bei extremeren Temperaturen im Einsatz sind, ist das Thermomanagement also ein unverzichtbarer Teil der Elektrifizierung.

Die größte Herausforderung: Platz Vom Bagger bis zum Kranfahrzeug sind Baumaschinen meist über einen langen Zeitraum

Das Webasto eBTM 2.0 ist eine universelle Heiz- und Kühllösung für Antriebsbatterien. Sie gewährleistet die optimale Funktionsfähigkeit wassergekühlter Batteriepacks von elektrischen Nutzfahrzeugen und sorgt für die langfristige Bestleistung der Batteriezellen. Quelle: Webasto für ihren ganz speziellen Einsatzbereich verbessert und verfeinert worden. Daher liegt es im Interesse der Hersteller, so wenig wie möglich an der Baumaschine zu ändern, damit das Gewicht nach wie vor perfekt verteilt, die Schwerpunkte ideal ausgelotet, die Kraft der Motoren und der Getriebe optimal ausgenutzt bleiben. Und auch die Kundenwünsche spielen hier eine wichtige Rolle: Diese wollen nicht plötzlich größere Maschinen geliefert bekommen, denn der Platz zum Manövrieren auf engen Baustellen in der Innenstadt ist begrenzt.

Ziel muss es also sein, Batterie und Thermomanagement unterzubringen, ohne die Dimensionen der Baumaschine selbst zu verändern. Hier zeigt sich jedoch direkt die nächste Herausforderung: Im Gegensatz zu beispielsweise Bussen, in denen entlang des Fahrzeugs oder sogar auf dem Dach noch genug Raum ist, sind Baumaschinen bereits sehr vollgepackt. Auch wenn Motoren, Tanks, Aggregate und die dazugehörigen Leitungen entfernt werden, bleibt der Platz begrenzt. Die Integration von mehreren Heiz-/Kühlgeräten für Batterie, Aggregate und Fahrerkabine kommt schon aus diesem Grund oft nicht infrage und ist auch energetisch oftmals unwirtschaftlich.

Heizen und Kühlen für optimale Leistung Batterien für E-Fahrzeuge entfalten ihre beste Leistung bei guter Temperierung. Eine vorkonditionierte Batterie kann schneller be- oder entladen werden, hat mehr Kapazität und eine höhere Lebensdauer. Zusätzlich entsteht in E-Fahrzeugen beim Betrieb Wärme, die dann beispielsweise zum Heizen der Kabine genutzt werden kann.

Grundsätzlich bestehen zwei Möglichkeiten, ein Thermomanagement für eine Baumaschine aufzubauen: Entweder werden die Batterien in das System integriert oder in einem eigenen Heiz- und Kühlkreislauf separat gehalten. Ersteres wird bei Webasto als elektrisches Thermomanagement (eTM) bezeichnet, Letzteres als elektronisches Batterie-Thermomanagement (eBTM). Während das eBTM ein auf Batterien spezialisiertes, fertiges Gerät ist, das „Plug and Play“ eingebaut und angeschlossen werden kann, ist bei einem eTM immer ein gewisser Entwicklungsaufwand nötig, um die Heiz- und Kühlfunktionen in allen Betriebszuständen der Maschine darstellen zu können. Hierbei sind die Integration der Aggregate über Wasser-

kreisläufe und die der Temperaturregelung in die Fahrzeugelektronik die größten Herausforderungen.

Es zeigt sich also, dass die Elektrifizierung von Baumaschinen sehr individuell und abhängig vom Aufbau der jeweiligen Maschine ist. Auch die benötigte Wärme- und Kälteleistung spielen eine wichtige Rolle. All diese Faktoren bestimmen, welche Art der Integration am sinnvollsten ist. Ein Rechenbeispiel: Bei einem Bagger benötigt die Kabine eine Heiz- und Kühlleistung von bis zu 7 kW, die durchschnittliche Energieabnahme liegt bei 40 kW, wovon wiederum 5 bis 10 % in Wärme umgesetzt werden. Die Kabine benötigt also knapp 25 % der Gesamtenergie, fast 50 % davon können aus der Maschine zurückgewonnen werden. Hier lohnt es sich, ein eTM komplett zu integrieren und zu vernetzen.

In anderen Anwendungsfällen, wo beispielsweise zwei eBTMs bis zu 12 Batterien kühlen und heizen, sollte die Kabinenklimatisierung besser abgekoppelt werden, sodass beide Systeme nebeneinander laufen. Bei kleineren Fahrzeugen kann es sogar ratsam sein, nur ein sehr einfaches Thermomanagement System zu verbauen, das beispielsweise nur auf passive Kühlung und elektrische Heizung setzt.

Als Faustformeln kann man mitnehmen: Je mehr Batterien an Bord sind, je weniger Energie zum Heizen und/oder Kühlen der Kabinen und Nebenaggregate benötigt wird und je kleiner die gebauten Stückzahlen sind, desto weniger interessant ist ein integriertes eTM System.

Stattdessen sollte auf das eBTM Gerät plus Komponenten aus dem Webasto „E-Baukasten“ zum Betrieb der Kabinenklimatisierung zurückgegriffen werden. Die Vorteile eines integrierten eTM Systems kommen dagegen zum Tragen, wenn Heizenergie aus dem Fahrzeug für die Kabine oder andere Aggregate zurückgewonnen werden kann, wenig Platz verfügbar ist und eine Integration während der Entwicklungsphase der Maschine möglich ist. Das eTM arbeitet mit einer kompakten Wärmepumpeneinheit zur Energieversorgung und mit sekundären Wasserkreisläufen für die Batterien, Aggregate und Kabine. Der Austausch mit der Umgebung erfolgt über einen einfachen Luft-/Wasser- Wärmetauscher.

Modulare Systeme für maximale Flexibilität Um den vielen unterschiedlichen Projekten, Anforderungen und Baumaschinen Rechnung zu tragen, setzt Webasto, einer der Top-100 Autozulieferer weltweit, auf ein flexibles System, das modular aufgebaut ist. So stellt das Unternehmen sicher, dass es basierend auf den vorhandenen Vorgaben wie benötigter Wärme- und Kühlleistung, Bauraum und Gewichtsverteilung in kurzer Zeit eine individuell zugeschnittene Thermomanagement-Lösung integrieren kann. Ein wichtiger Faktor dabei ist die enge Zusammenarbeit mit den jeweiligen Herstellern. Für sie ist die Elektrifizierung ein wichtiger und großer Trend, bisher sind entsprechende Umrüstungen oft aber noch Versuche. Doch klar ist: Die Entwicklung hin zu emissionsfreien Baumaschinen ist nicht aufzuhalten und die Rolle, die das Thermomanagement dabei spielt, ist nicht zu unterschätzen.

Jörg Hornung ist Vice President Business Line Thermo Management bei Webasto und Autor dieses Beitrags.

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