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 (ICEs) zu Elektrofahrzeugen (EVs) 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 Verbrennungsmotoren die Motorkühlung sowie die Kühlung bzw. Heizung des Innenraums umfasste, je nach den regionalen Wetterbedingungen. Diese Zeit lässt sich grob als die komponentenorientierte Ära bezeichnen, in der die Leistung dieser Komponenten einzeln betrachtet wurde, da sie dezentralisiert waren.

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

Es wird erwartet, dass die zweite Phase uns schrittweise in die dritte Phase führt, 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 Thermotechnologie 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 OEMs konzentrierten sich auf das Design von Komponenten und Hardwaresystemen, wobei Leistung und Kosten die wichtigsten Faktoren waren. Frühe Elektrofahrzeuge (EVs), die von den globalen Automobilherstellern entwickelt wurden, lehnten sich stark an bestehende Bauteile wie den einfachen AC-Kreislauf an. Ein interessantes Beispiel wäre der Nissan Leaf der ersten Generation, der den AC-Kreislauf von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor übernahm, da dieser sehr kostengünstig war, jedoch die Effizienz und Leistung stark beeinträchtigte. Auf der Zuliefererseite hatten Unternehmen wie Denso und Marelli kostengünstige Aluminiumkühler und mechanische Kompressoren für die Massenproduktion perfektioniert.

b) Die Ära der Teilintegration und Modularität: Angesichts immer strengerer Emissionsnormen und des allgemeinen Trends zur Elektrifizierung von Fahrzeugen 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 der Montage kleinerer Teile zu integrierten Modulen experimentierten, um Gewicht, Platz und Kosten einzusparen. Die Integration einzelner Kreisläufe wie Batterie, Antriebseinheit und Fahrgastraum in ein einheitliches System führte zur Einführung der Wärmepumpe, die Abwärme von den Motoren und dem Wechselrichter nutzt, um die Batterie oder den Fahrgastraum zu erwärmen. Mit anderen Worten: Dies führte zur Entstehung des thermischen Hubs, bei dem die Hersteller begannen, integrierte thermische Module mit Verteilern 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-Konfiguration eingesetzt wurde, um die Wärme im gesamten Fahrzeug zu nutzen. Die integrierte Wärmerückgewinnungsoptimierung von Tesla ermöglicht den Verzicht auf stromintensive elektrische Kabinenheizungen.

Auch die E-GMP-Plattform von Hyundai und Kia ist ein hervorragendes Beispiel dafür, dass integrierte Wärmepumpensysteme mittlerweile als Maßstab für die Reichweitenerhaltung bei kaltem Wetter gelten. Schaeffler und Mahle gehören zu den führenden Anbietern von All-in-One-Wärmemodulen, die Automobilhersteller zunehmend als einzelne, effiziente Einheit einsetzen. 

c) Das Zeitalter der KI-gesteuerten proaktiven Steuerung: Wir treten derzeit in diese Phase ein, in der die Weiterentwicklung der Hardware voraussichtlich auf das Zeitalter der softwaregesteuerten Fahrzeuge (SDV) trifft. In dieser Phase vollzieht sich bei den thermischen Systemen ein Wandel von reaktiven Systemen, die auf die aktuelle Temperatur reagieren, hin zu proaktiven Systemen, die zukünftige thermische Anforderungen vorhersagen. Es wird erwartet, dass in diesem Zeitalter künstliche Intelligenz (KI) zunehmend als „Gehirn“ fungieren und das Batteriemanagementsystem (BMS) sowie die thermische Steuerung überwachen wird. 

Ein Anwendungsbeispiel wäre eine Software, die Daten aus GPS, Wettervorhersagen und Fahrgewohnheiten verarbeitet, um Komponenten vorzukühlen oder vorzuheizen, noch bevor eine thermische Belastung überhaupt auftritt. 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 „Cooling-on-Demand“-Aerothermiksystem einsetzt, das von hochmoderner Software gesteuert wird; BMW und ZF arbeiten gemeinsam an der Entwicklung einer prädiktiven Thermomanagement-Lösung, die Navigationsdaten nutzt, um die Batterie auf Autobahnfahrten mit hoher Geschwindigkeit oder Gleichstrom-Schnellladung vorzubereiten. Bosch integriert das Thermomanagement in seine zentralisierten Fahrzeugcomputerarchitekturen, wodurch KI in Echtzeit die Kühlung der Leistungselektronik mit dem Komfort im Innenraum in Einklang bringen kann. 

Kürzlich, am 31. März, gab der südkoreanische Zulieferer Hanon Systems bekannt, dass er ein kompaktes, multifunktionales Wärmemanagementmodul entwickelt hat, das mehrere Komponenten wie eCompressor, elektronischen Expansionsventilblock, einen kombinierten wassergekühlten Kondensator sowie internen Wärmetauscher, Kühlkreislaufleitungen und Druck- und Temperatursensoren in einer einzigen Lösung mit hoher Leistungsdichte integriert. Laut Hanon Systems reduziert das Modul 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 Wärmemanagementmodul steuert, das nur 16 kg wiegt und den Kältemittelfluss sowie die Temperatur dynamisch reguliert, um Echtzeitanforderungen optimal zu erfüllen. Die Wärmemanagementlösung von Hanon wurde erstmals im vollelektrischen SUV-Modell iX3 von BMW eingesetzt. 

Der Aufstieg der Wärmepumpen 

Während Wärmepumpen für Wohngebäude in Ländern mit Minustemperaturen 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 transportiert. Das System nutzt ein Kältemittel, das in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert und dabei von flüssig zu gasförmig und umgekehrt 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.

Es ist bekannt, dass in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor Wärme ein Nebenprodukt des Motors ist. Da Elektrofahrzeuge keine Abwärme vom Motor haben, wurden ursprünglich Heizungen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Heizungen) verwendet, die jedoch erhebliche Energie aus der Batterie des Elektrofahrzeugs verbrauchten, was bei frostigem Wetter 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 Autohersteller 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, das die Wärmepumpe einsetzte. Kurz darauf bot auch der BMW i3 diese Technologie 2013 als Option in seiner Modellpalette an. 

Wärmepumpen sind zudem unerlässlich, um die Batterie vor dem Schnellladen auf ihre optimale Betriebstemperatur (15 °C bis 35 °C) zu erwärmen und so die Ladezeit deutlich zu verkürzen. Mehrere Autohersteller haben nun 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 auch 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 es unmöglich ist, ein integriertes thermisches Modul ohne eine Wärmepumpe zu haben, um Energie zwischen Batterie, Elektromotor und Fahrgastraum zu transportieren. Infolgedessen trug die Wärmepumpe dazu bei, das Thermomanagement in einem Auto von einer Ansammlung von Teilen 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, aber 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 reifen EV-Märkten 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 Bauweise zu verbessern sowie die Herstellungskosten zu optimieren. Eine höhere Systemintegration ermöglicht zudem eine optimierte Steuerung des Thermomanagementsystems. Die Regelungsstrategie hat sich von frühen reaktiven Hardware- und festen Steuerungen zu den aktuellen Logiksteuerungen und PID-Regelungen entwickelt, die mehrere reaktive Optimierungskarten bieten, die auf einer Reihe von Sensoren und Aktuatoren basieren. Der nächste Schritt im Thermomanagement wird voraussichtlich darin bestehen, dass KI die Entscheidungsfindung in Echtzeit übernimmt, wodurch die Lösungen vorausschauend statt reaktiv werden“, schlossShetty .

Über den Autor:

Amit Panday
Leitender Forschungsanalyst, S&P Global Mobility