Mit zunehmender Elektrifizierung und Autonomie von Fahrzeugen entwickeln sich Wärmemanagementsysteme von reaktiven zu proaktiven Systemen, wobei künstliche Intelligenz (KI) zum Einsatz kommt, die als „Gehirn“ fungiert und die thermischen Anforderungen zahlreicher Komponenten sowie der Insassen überwacht.

In den letzten vier bis fünf Jahrzehnten lässt sich die Entwicklung des Wärmemanagements in Fahrzeugen als langer Weg von der einfachen Motorkühlung hin zu einer ausgeklügelten Energiemanagementstrategie betrachten. Mit dem Übergang von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren (ICE) zu Elektrofahrzeugen (EV) hat sich das Thermomanagementsystem von einer sekundären Unterstützungseinheit zum Kernstück der Fahrzeugeffizienz und der Reichweite entwickelt.

Jahrzehntelang war Thermomanagement gleichbedeutend mit einfachem Wärmemanagement. Das bedeutete, dass das Thermomanagement vor allem in Fahrzeugen früherer Generationen mit Verbrennungsmotor je nach den regionalen Wetterbedingungen die Motorkühlung sowie die Kühlung bzw. Beheizung des Fahrgastraums umfasste. Diese Periode lässt sich grob als die komponentenorientierte Ära bezeichnen, in der die Leistung dieser Komponenten einzeln betrachtet wurde, da sie dezentral angeordnet waren.

Darauf folgte die zweite Phase der thermischen Technologieentwicklung, in der die Branche ihren Fokus auf Integration, Wärmerückgewinnung und Modularität verlagerte, als Automobilhersteller begannen, spezielle Energiearchitekturen für EV-spezifische Plattformen zu entwickeln. Da integrierte Thermomodule zum Hauptbestandteil wurden, begannen globale Automobilhersteller, sich mit Gewichtsreduzierung zu befassen, um Leistung und Bauraum zu optimieren.

Es wird erwartet, dass die zweite Phase uns schrittweise in die dritte Phase führen wird, in der künstliche Intelligenz (KI) als zentrales „Gehirn“ des Fahrzeugs fungieren und die Temperaturen kritischer Komponenten wie Batterie, Elektromotor, Wärmepumpen sowie des Fahrgastraums überwachen könnte.

Werfen wir einen genaueren Blick auf diese drei entscheidenden Phasen der Entwicklung der Thermomanagement-Technologie in Fahrzeugen:

a) Die komponentenorientierte Ära: Dies war wohl die längste Phase, in der Thermomanagementsysteme dezentralisiert waren und Komponenten wie der Motorkühlkreislauf – bestehend aus Kühler, mechanischer Wasserpumpe und Thermostat – unabhängig vom Klimakreislauf (AC) im Fahrzeug betrieben wurden. Die Erstausrüster konzentrierten sich auf die Konstruktion von Komponenten und Hardwaresystemen, wobei Leistung und Kosten die wichtigsten Faktoren waren. Frühe Elektrofahrzeuge (EVs), die von den globalen Automobilherstellern entwickelt wurden, griffen stark auf bewährte Bauteile wie den einfachen Klimakreislauf zurück. Ein interessantes Beispiel ist der Nissan Leaf der ersten Generation, der den Klimakreislauf von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor übernahm, da dies sehr kostengünstig war, jedoch zu Lasten der Effizienz und Leistung ging. Auf der Zuliefererseite hatten Unternehmen wie Denso und Marelli kostengünstige Aluminiumkühler und mechanische Kompressoren für die Massenproduktion perfektioniert.

b) Die Ära der Komponentenintegration und Modularität: Angesichts immer strengerer Abgasnormen und des allgemeinen Trends zur Fahrzeugelektrifizierung erkannten die Automobilhersteller weltweit, dass thermische Module in einem Fahrzeug nicht isoliert betrachtet werden können. Infolgedessen entwickelten sich die Komponentenhersteller vom „Build-to-Print“-Ansatz hin zu gemeinsamer Forschung und Entwicklung (F&E-Projekte mit den Automobilherstellern, in denen diese Partnerschaften mit der gemeinsamen Nutzung von Komponenten und dem Zusammenbau kleinerer Teile zu integrierten Modulen experimentierten, um Gewichts- und Platzersparnisse sowie Kostensenkungen zu erzielen. Die Integration einzelner Systeme wie Batterie, Antriebseinheit und Fahrgastraum in ein einheitliches System führte zur Einführung der Wärmepumpe, die Abwärme von den Motoren und dem Wechselrichter zur Erwärmung der Batterie oder des Fahrgastraums nutzt. Mit anderen Worten: Dies führte zur Entstehung des „Thermal Hubs“, bei dem die Hersteller begannen, integrierte thermische Module mit Verteilerblöcken einzusetzen, die Ventile, Pumpen und Sensoren in einer einzigen Anordnung kombinierten. 
Ein relevantes Beispiel für diesen Ansatz ist das Tesla Model Y, bei dem eine Achtventil-Anordnung zum Einsatz kommt, um die Wärme im gesamten Fahrzeug zu nutzen. Die integrierte Optimierung der Wärmerückgewinnung bei Tesla ermöglicht den Verzicht auf stromintensive elektrische Innenraumheizungen.

Auch die E-GMP-Plattform von Hyundai und Kia ist ein hervorragendes Beispiel dafür, dass integrierte Wärmepumpensysteme mittlerweile als Maßstab für die Erhaltung der Reichweite bei kalten Wetterbedingungen gelten. Schaeffler und Mahle gehören zu den führenden Anbietern von All-in-One-Wärmemodulen, die Automobilhersteller zunehmend als eine einzige, effiziente Einheit einsetzen. 

c) Das Zeitalter der KI-gesteuerten Proaktivität: Wir treten derzeit in diese Phase ein, in der die Weiterentwicklung der Hardware voraussichtlich auf das Zeitalter der softwaredefinierten Fahrzeuge (SDV) treffen wird. In dieser Phase vollzieht sich bei den thermischen Systemen ein Wandel von reaktiven – also auf die aktuelle Temperatur reagierenden – hin zu proaktiven (zukünftige thermische Anforderungen vorhersagenden) Anforderungen. Es ist zu erwarten, dass in diesem Zeitalter künstliche Intelligenz (KI) zunehmend als „Gehirn“ fungieren und das Batteriemanagementsystem (BMS) sowie die thermischen Steuerungen überwachen wird. 

Ein praktisches Beispiel wäre eine Software, die Daten aus GPS, Wettervorhersagen und Fahrgewohnheiten verarbeitet, um Komponenten bereits vor dem Auftreten einer thermischen Belastung vorzukühlen oder vorzuheizen. Ein digitaler Zwilling der Batterie könnte ein weiteres aussagekräftiges Beispiel dafür sein, wie KI eine zentrale Rolle spielt. Wenn die KI dabei selbst bei nur einer Zelle eine leichte Abweichung in der Erwärmung im Vergleich zu den anderen Zellen der Batterie feststellt, kann sie das Wärmemanagement anpassen, um eine Leistungsminderung zu verhindern und die Sicherheit zu gewährleisten. Zu den interessanten Beispielen aus der Industrie gehört der Mercedes-Benz Vision EQXX, der ein durch hochmoderne Software gesteuertes aerothermisches „Cooling-on-Demand“-System einsetzt; BMW und ZF arbeiten gemeinsam an der Entwicklung einer vorausschauenden Wärmemanagementlösung, die Navigationsdaten nutzt, um die Batterie auf das Fahren mit hoher Geschwindigkeit auf der Autobahn oder auf das Gleichstrom-Schnellladen vorzubereiten. Bosch integriert das Wärmemanagement in seine zentralisierten Fahrzeugcomputerarchitekturen, wodurch KI in der Lage ist, die Kühlung der Leistungselektronik in Echtzeit mit dem Komfort im Fahrgastraum in Einklang zu bringen. 

Kürzlich, am 31. März, gab der südkoreanische Zulieferer Hanon Systems bekannt, dass er ein kompaktes, multifunktionales Wärmemanagementmodul entwickelt hat, das darauf ausgelegt ist, mehrere Komponenten wie den eCompressor, einen elektronischen Expansionsventilblock, einen kombinierten wassergekühlten Kondensator sowie einen internen Wärmetauscher, Kühlmittel- und Klimaleitungen sowie Druck- und Temperatursensoren in einer einzigen Lösung mit hoher Leistungsdichte zu vereinen. Das Modul reduziert laut Hanon Systems die Komplexität des Systems, verbessert die thermische Leistung und steigert die Energieausnutzung, was zu einer größeren Reichweite beiträgt. Das Unternehmen erklärte, dass das integrierte System die thermischen Anforderungen mehrerer Fahrzeugsubsysteme über ein intelligentes Thermomanagementmodul steuert, das nur 16 kg wiegt und den Kältemittelfluss sowie die Temperatur dynamisch reguliert, um den Anforderungen in Echtzeit optimal gerecht zu werden. Die Thermomanagementlösung von Hanon kam erstmals im vollelektrischen SUV-Modell iX3 von BMW zum Einsatz. 

Der Aufstieg der Wärmepumpen 

Während Wärmepumpen für den Wohnbereich in Ländern mit Temperaturen unter null bereits seit Jahrzehnten existieren, wurden sie erst vor knapp 12 bis 13 Jahren in Personenkraftwagen eingesetzt. Im Grunde funktioniert eine Wärmepumpe wie eine Klimaanlage, die Wärme liefert, indem sie vorhandene Wärmeenergie innerhalb eines Fahrzeugs von einem Ort zum anderen überträgt. Das System nutzt ein Kältemittel, das in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert und dabei zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand wechselt, um Wärme zu transportieren. Im Sommer entzieht es der Fahrgastzelle Wärme und leitet diese nach außen ab, während es im Winter Wärme von außen sowie aus der Fahrzeugelektronik aufnimmt, um die Insassen zu wärmen.

Bekanntlich ist Wärme bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ein Nebenprodukt des Motors. Da Elektrofahrzeuge keine Abwärme vom Motor hatten, wurden ursprünglich Heizelemente mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Heizungen) verwendet, die jedoch erhebliche Leistung aus der Fahrzeugbatterie bezogen, was bei Minustemperaturen zu einem Verlust der Reichweite von bis zu 30 % bis 40 % führte. Um dieses Problem zu lösen, wurde die Wärmepumpe entwickelt, und es wird davon ausgegangen, dass Wärmepumpen der ersten Generation 20 % dieser verlorenen Reichweite bei Elektrofahrzeugen einsparen konnten.

Es ist schwer, genau zu sagen, welcher Automobilhersteller Pionierarbeit bei der Wärmepumpe geleistet hat, doch Berichten zufolge stellte zwar der Renault Zoe die Wärmepumpentechnologie im März 2012 auf dem Genfer Autosalon vor, doch war der Nissan Leaf 2013 das erste Serienfahrzeug, in dem die Wärmepumpe zum Einsatz kam. Kurz darauf bot auch der BMW i3 diese Technologie 2013 als Option in seiner Modellpalette an. 

Die Wärmepumpen sind zudem unerlässlich, um die Batterie vor dem Schnellladen auf ihren optimalen Temperaturbereich (15 °C bis 35 °C) zu erwärmen und so die Ladezeit deutlich zu verkürzen. Mehrere Automobilhersteller haben inzwischen damit begonnen, Wärmepumpen einzusetzen, die zuvor nur in Premium-Varianten oder als Option im Kaltwetterpaket angeboten wurden. So setzte Tesla beispielsweise 2020 erstmals Wärmepumpen im Model Y ein, und der Erfolg war so groß, dass das Unternehmen sie 2021 auch im Model 3 nachrüstete. 

Auch Hyundai Motor führte 2021 mit dem Ioniq 6 und dem Kia EV6 Wärmepumpen auf seiner E-GMP-Plattform ein. Volkswagen bot Wärmepumpen im ID.3 und ID.4 als optionales „Effizienzpaket“ an. General Motors führte 2022 ebenfalls Wärmepumpen auf seiner Ultium-Plattform mit den Modellen Hummer EV und Lyriq ein.

Es ist zudem wichtig zu beachten, dass die Wärmepumpentechnologie, wie oben erläutert, als entscheidende Brücke zwischen Phase 2 und Phase 3 der thermischen Technologieentwicklung angesehen wird. Diese Technologie ist ein integraler Bestandteil von Phase 2, da ein integriertes Thermomodul ohne eine Wärmepumpe, die Energie zwischen Batterie, Elektromotor und Fahrgastraum umverteilt, nicht möglich ist. Infolgedessen trug die Wärmepumpe dazu bei, das Thermomanagement in einem Fahrzeug von einer Ansammlung von Bauteilen zu einem Ökosystem zu verwandeln. 

Darüber hinaus ist die Wärmepumpe in Phase 3 weiterhin der Hardware-Enabler aus Phase 2, jedoch mit einem weiterentwickelten, proaktiven „Gehirn“. Wie das funktioniert? Eine typische Wärmepumpe der Phase 2 schaltet sich möglicherweise aufgrund eines Signals von einem Sensor ein, doch eine KI-gesteuerte Wärmepumpe der Phase 3 könnte die Wärmepumpe bereits 10 Minuten vor der Ankunft des Fahrers an einer Ladestation zum Aufladen des Elektrofahrzeugs einschalten, da das zentrale „Gehirn“ das Ziel kennt.

Software: Hauptsteuerung der Hardware-Schleifen

In phase 3 of the thermal management evolution, software is no longer a peripheral utility, instead it is the master controller that dictates how every joule of energy should be harvested or moved or rejected. This transition is built on three key technological pillars:

1. Route-based predictive conditioning
While traditional thermal management is reactive as it responds to a temperature spike after it happens, software-driven systems are proactive, using situational awareness to prepare the hardware in advance. The central controller integrates with GPS, real time traffic data and weather forecasts. For example, if a driver inputs a destination 50 km away that involves a steep mountain climb, followed by a DC fast charger, the software gets to work by regulating the thermal management of the battery long before the EV ascends on the hill. This helps in pre-cooling the battery and motor in anticipation of the high load climb and pre-conditions the battery to achieve its comfortable thermal range (or goldilocks zone) for the DC charger. This approach helps in terms of avoiding the thermal lag that typically slows down the charging speeds or throttles performance. 

Some interesting examples would include BMW’s predictive thermal management, Tesla’s route-based cabin preconditioning, Lexus’ predictive efficient drive for hybrid and plug-in hybrid electric models. 

Among the system suppliers, ZF’s TherMas system is a fascinating example of a software-driven, AI-based, intelligent and predictive thermal management system. First unveiled in 2023, the German supplier has been refining and improving its thermal solution, and it now claims that TherMas can extract up to one-third more driving range from the battery, even in sub-zero temperatures. The integrated module utilizes AI to accurately predict and manage the temperatures of essential EV components such as battery, electric motor, inverter and other electrical parts.

Moreover, ZF’s integrated thermal solution has compact dimensions, offering flexibility in positioning the heat pump and fluid control unit closer to the passenger cabin or near systems that have high thermal demands. This not only helps in reducing heat loss but also enhances overall thermal efficiency. This underlines hardware that is consistently refined to offer more flexibility in terms of modular and compact design, ease of installation, weight savings, among other critical parameters. ZF plans to offer TherMas in three performance classes, providing carmakers with a lot flexibility to deploy the technology across multiple EV platforms and model lineups.

Similarly, Bosch has developed its own software for predictive control of thermal system (PCTS), splitting its solution into modules that are available separately. According to the company, the software is adaptable for different vehicle classes and consists of an entry, efficiency and predictive package.

2. Digital twins and cloud-based analysis
Key thermal components now have a digital twin, which is a virtual replica stored in the cloud. The software compares real time data recorded by sensors such as temperature, flow rate, pressure, among other parameters, with the ideal performance model of the digital twin to run its own analysis. For example, if a coolant pump (in its hardware form) is drawing 5% more current than its digital twin, AI predicts a given flow rate, and the cloud-based analysis identifies this pattern as an early stage bearing wear. 

This approach helps in the form of predictive maintenance. Carmakers such as Rivian and Lucid are able to analyze thermal data from thousands of vehicles in the cloud to discover that a specific valve timing can improve efficiency by 2%. They then push that optimization back to the entire fleet via over-the-air or OTA update.

3. Neural network and AI control
This is the most cutting-edge pillar of the three, where action moves away from ‘if-then’ logic and is replaced by neural networks that learn unique thermal behavior of the vehicle and subsequent requirements. These neural networks are trained on millions of data points to understand and calculate the most efficient thermal state for the system. With the help of this complex optimization, AI can manage loops where the passenger cabin, battery, motors, and even the ADAS computer cooling are all interlinked, finding efficient thermal management a human programmer might miss. For example, if AI learns that the car owner prefers to keep 22 degrees C in the passenger cabin, but the battery needs to be at 30 degrees C for his driving style, the AI-based thermal management system can balance those conflicting needs with zero-waste energy. To sum it up, in the future, the thermal management system will be measured less by the size of the radiator and more by the millions of operations per second performed by its master controller. 

Perspektive von S&P Global Mobility

Laut Suraj Shetty, leitender Forschungsanalyst für Thermomanagement bei S&P Global Mobility, setzt sich ein komplexes, auf Kühl- und Kältemitteln basierendes Batteriethermomanagement weltweit als Standard durch – da die Erstausrüster die Grenzen der Batterietechnologie und der Fahrzeugleistungskennzahlen immer weiter verschieben. 

„Heute ist der Einsatz von Wärmepumpen in ausgereiften Märkten für Elektrofahrzeuge wie Großchina, Europa und Nordamerika fast schon Standard, auch wenn die Konfigurationen variieren. Die Wahl der Konfiguration wurde hauptsächlich durch das Kältemittel, die technische Strategie der Marke, Sicherheitsaspekte und die Kosten bestimmt“, sagteer .

„Integrierte Thermomodule werden zunehmend als vielversprechende Lösung angesehen, um die Systemeffizienz und die Baukompaktheit zu verbessern sowie die Herstellungskosten zu optimieren. Eine stärkere Systemintegration ermöglicht zudem eine optimierte Steuerung des Thermomanagementsystems. Die Regelungsstrategie hat sich von anfänglicher reaktiver Hardware und festen Steuerungen zu den heutigen Logiksteuerungen und PID-Regelungen weiterentwickelt, die mehrere reaktive Optimierungskarten auf der Grundlage einer Reihe von Sensoren und Aktuatoren bieten. Der nächste Schritt im Thermomanagement wird voraussichtlich darin bestehen, dass KI die Entscheidungsfindung in Echtzeit übernimmt, wodurch die Lösungen prädiktiv statt reaktiv werden“, schlossShetty .

Über den Autor:

Amit Panday
Leitender Forschungsanalyst, S&P Global Mobility