Anwendungsvergleich und Analyse von R290 in verschiedenen Wärmepumpentechnologierouten

In NEV-Wärmemanagementsystemen ist die Wärmepumpentechnologie zu einem wichtigen Ansatz zur Verbesserung der Fahrzeugenergieeffizienz und zur Verlängerung der Reichweite geworden. Angesichts der immer strengeren Umweltvorschriften und der wachsenden Nachfrage nach Kältemitteln mit niedrigem Treibhauspotenzial hat R290 (Propan) aufgrund seiner hervorragenden thermodynamischen Leistung große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Aufgrund seiner Entflammbarkeit weisen verschiedene Systemarchitekturen jedoch deutliche technische Unterschiede hinsichtlich Sicherheit, Effizienz und Systemkomplexität auf.
Derzeit,der Einsatz von R290 in elektrischen Kompressorenund Fahrzeugwärmemanagementsysteme können hauptsächlich in drei typische Technologierouten eingeteilt werden: direkte R290-Wärmepumpensysteme, indirekte R290-Systeme in Kombination mit sekundärseitigen Kühlmittelkreisläufen und R290-Systeme, die mit Abwärmerückgewinnungssystemen integriert sind. Der folgende Abschnitt bietet einen technischen und wissenschaftlichen Vergleich und eine Analyse dieser Ansätze.

1. Direktes R290-Wärmepumpensystem

Ein direktes R290-System ist die traditionellste Konfiguration und kommt herkömmlichen Kühlkreisläufen am nächsten. Bei dieser Architektur zirkuliert R290 direkt zwischen Verdampfer und Kondensator und nimmt direkt am Wärmeaustauschprozess im Fahrzeuginnenraum teil.

Aus thermodynamischer Sicht bietet R290 eine hohe latente Verdampfungswärme und hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften. Seine Kreislaufeffizienz ist mit der von R134a und R1234yf vergleichbar oder sogar höher. Unter den gleichen Betriebsbedingungen ist der COP des Systems im Allgemeinen höher, insbesondere bei niedrigen und gemäßigten Umgebungstemperaturbedingungen. Daher bietet diese Lösung erhebliche Vorteile, darunter höchste Effizienz, einfachste Systemarchitektur und niedrigste Gesamtkosten.
Allerdings gehen mit der hohen Effizienz dieses Ansatzes äußerst hohe Sicherheitsanforderungen einher. Da das Kältemittel direkt in den Innenraum-Wärmetauscher gelangt, könnte jede Leckage zur Ansammlung von R290 im Fahrgastraum führen. Gemäß den ASHRAE-Standards ist R290 als Kältemittel der Klasse A3 eingestuft, was bedeutet, dass es leicht entflammbar ist. Sein Entflammbarkeitsbereich liegt bei etwa 2,1–9,5 Vol.-% in der Luft. Daher muss das System über fortschrittliche Sicherheitsmaßnahmen verfügen, darunter eine hochpräzise Erkennung von Kältemittellecks, Mechanismen zur schnellen Stromabschaltung und Zwangsbelüftungssysteme. Darüber hinaus werden höhere Anforderungen an die Dichtungsleistung von Rohrleitungen und die konstruktive Sicherheitskonstruktion gestellt.
Insgesamt eignen sich direkte R290-Wärmepumpensysteme besser für Anwendungen, die kostensensibel sind und durch ausgereifte Sicherheitsdesignfunktionen unterstützt werden, wie z. B. batterieelektrische Fahrzeuge des A00-, A0- und A-Segments. Bei diesen kompakten und wirtschaftlichen NEVs stehen in der Regel Kostenoptimierung, hohe Energieeffizienz und Systemzuverlässigkeit im Vordergrund. Durch die Einführung geeigneter Sicherheitsstrategien können direkte R290-Wärmepumpensysteme die Anforderungen des Fahrzeug-Wärmemanagements effektiv erfüllen und gleichzeitig wettbewerbsfähige Systemkosten aufrechterhalten.

Typische Systemkonfiguration:

Kältemittel	R290
Systemkonfiguration	Direktexpansion-Wärmepumpensystem
Kältemittelfüllmenge	80–120g
Schlüsselkomponenten	18–24 cm³ elektrischer Scrollkompressor + Mikrokanal-Wärmetauscher

Vorteile der Systemleistung:

Funktion	Beschreibung
Hervorragende Heizleistung bei niedrigen Temperaturen	Das Kältemittel R290 bietet eine hervorragende thermodynamische Leistung und verbessert die Winterheizeffizienz von Wärmepumpensystemen in Fahrzeugen mit neuer Energie deutlich. • Bei einer Umgebungstemperatur von -10°C kann die Heizleistung 3,5 kW bei einem COP ≥ 2,4 überschreiten. • Bei einer Umgebungstemperatur von -20°C kann die Heizleistung noch ca. 2,8 kW erreichen. Das System behält auch unter extrem kalten Betriebsbedingungen eine hohe Effizienz der Wärmepumpe bei.
Stabiler Betrieb über einen weiten Temperaturbereich	Das System bietet eine hervorragende Anpassungsfähigkeit an die Umwelt und kann die ganzjährigen Wärmemanagementanforderungen von Fahrzeugen mit neuer Energieversorgung abdecken. • Unterstützt den Start bei niedrigen Temperaturen bis zu -30 °C. • Bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C kann die Kühlleistung 7,5–8,5 kW erreichen. Erfüllt die Anforderungen an das Wärmemanagement der Fahrzeug-HLK sowohl unter extrem kalten als auch unter hohen Temperaturen.
Kostenvorteile	Im Vergleich zu Wärmepumpensystemen mit dem Kältemittel R1234yf erfordert die direkte R290-Lösung nur etwa 5–10 % zusätzliche Systemkosten und bietet gleichzeitig eine überlegene Heizleistung bei niedrigen Temperaturen, eine höhere Energieeffizienz und eine geringere Umweltbelastung. Es bietet eine hervorragende Gesamtkosteneffizienz.

2. Indirektes R290 + sekundäres Kühlmittelkreislaufsystem

Das indirekte R290-Wärmepumpensystem führt einen sekundären Kühlmittelkreislauf ein (normalerweise unter Verwendung einer Wasser-Glykol-Mischung), um das R290-Kältemittel im vorderen Fach oder in einem unabhängigen versiegelten Modul zu begrenzen. Der Wärmeaustausch mit dem Fahrgastraum erfolgt über den sekundären Kühlmittelkreislauf, wodurch eine physische Trennung zwischen dem Kältemittelkreislauf und der Fahrzeuginnenumgebung ermöglicht wird.
Aus Sicherheitsgründen verringert diese Architektur das Risiko, dass R290 in den Fahrgastraum gelangt, erheblich. Selbst im Falle eines Kältemittellecks sind die Auswirkungen im Allgemeinen auf den vorderen Fahrgastraum oder den Bereich des externen Kühlsystems beschränkt, wodurch sich das Gesamtsicherheitsniveau des Fahrzeugs effektiv verbessert. Daher sind indirekte Wärmepumpensysteme bei der Erforschung der Anwendung brennbarer Kältemittel zu einer der bevorzugten technischen Lösungen geworden, die von vielen Automobilherstellern in Betracht gezogen werden.
Allerdings bringt die Einführung eines sekundären Wärmeaustauschkreislaufs auch neue technische Herausforderungen mit sich. Da es sich bei dem System um einen mehrstufigen Wärmeübertragungsprozess „Kältemittel → Kühlmittel → Luft“ handelt, entstehen im Vergleich zu Direktexpansions-Wärmepumpensystemen zusätzlicher Wärmewiderstand und Energieverluste, was zu einer gewissen Reduzierung des Gesamt-COP führt. Gleichzeitig erhöht die Hinzufügung von Komponenten wie Kühlmittelpumpen, Plattenwärmetauschern und zugehörigen Rohrleitungen die Systemkomplexität, was zu höheren Fahrzeugkosten, höherem Gewicht und höheren Anforderungen an die Steuerungsstrategie führt.
Trotz dieser Herausforderungen bieten indirekte R290-Wärmepumpensysteme in Märkten mit strengen Sicherheitsvorschriften oder hohen Anforderungen an die Fahrzeugsicherheit immer noch erhebliche Vorteile. Diese Lösung richtet sich hauptsächlich an Personenkraftwagen des B- und C-Segments sowie an SUVs, insbesondere an Modelle, die für den europäischen Markt entwickelt wurden, wobei Sicherheit, Wärmemanagementleistung und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften die zentralen Designziele sind.
Das System nutzt eine indirekte R290-Wärmepumpenarchitektur, die das Kältemittel R290 und einen sekundären Kühlmittelkreislauf kombiniert. Durch die Isolierung des Kältekreislaufs, wichtige Hardware-Optimierungen, verbesserte Fähigkeit zum Wärmemanagement bei niedrigen Temperaturen und mehrere Sicherheitsredundanzdesigns erreicht das System ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit des Fahrzeug-Wärmemanagements und erfüllt gleichzeitig die europäischen gesetzlichen Anforderungen.

Kernsystemarchitektur und Hardwarekonfiguration:

Kategorie	Beschreibung
Design des Arbeitsflüssigkeitskreislaufs	Das System verwendet Propan-Kältemittel R290 mit einer kontrollierten Kältemittelfüllung von 100–150 g. Das Hauptmerkmal besteht darin, dass das Kältemittel nicht direkt in den Fahrgastraum gelangt. Stattdessen ermöglicht ein Plattenwärmetauscher die Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem Kältemittelkreislauf und dem sekundären Kühlmittelkreislauf. Dadurch wird das Sicherheitsrisiko des Austretens von brennbarem Kältemittel in die Kabine grundsätzlich eliminiert und die strengen europäischen Vorschriften für Bordanwendungen mit brennbarem Kältemittel erfüllt.
Auswahl des Kompressors	Ausgestattet mit einem 24–30 ccmZweistufiger elektrischer Scrollkompressor mit Dampfeinspritzung, was die Heizkapazität und Energieeffizienz unter Betriebsbedingungen bei niedrigen Temperaturen erheblich verbessert.
Integriertes Wärmemanagementmodul	Das Fahrzeug verfügt über ein integriertes 5-in-1- bzw. 8-in-1-Wärmemanagementmodul, das eine koordinierte Steuerung mehrerer Wärmeanforderungen ermöglicht, darunter Kabinenheizung, Batterietemperaturregelung und Kühlung des Elektromotors. Dies vereinfacht die Rohrleitungsanordnung und verbessert die Gesamtintegration in das Fahrzeug.

Wichtige Leistungsindikatoren bei niedrigen Temperaturen (-18 °C Standardbetriebsbedingung)

Leistungsparameter	Spezifikation
Heizleistung	Stabile Heizleistung von 6,5–7,2 kW, um den schnellen Anforderungen an die Innenraumheizung von Fahrzeugen gerecht zu werden, die in extrem kalten Regionen eingesetzt werden.
System-COP	Gesamtenergieeffizienz-Verhältnis COP ≥ 2,7, was eine hervorragende Heizeffizienz bei niedrigen Temperaturen zeigt.
Startfähigkeit bei extrem niedrigen Temperaturen	Zuverlässige Startfähigkeit bei Temperaturen bis zu -40 °C, geeignet für streng kalte Regionen und nordische Exportmärkte.
Zusätzliche Kostensteigerung	Verglichen mit der Basislösung mit direkter Expansion steigen die Fahrzeugsystemkosten um etwa 10–15 %, was einen akzeptablen Leistungs- und Sicherheitszuschlag für Fahrzeugplattformen der mittleren bis oberen Preisklasse darstellt.

Zweikreis-Funktionsprinzip
Das komplette System besteht aus zwei vollständig isolierten Kreisläufen: dem primären Kältemittelkreislauf und dem sekundären Kühlmittelkreislauf.

R290-Kältemittelkreislauf

Elektrischer Scrollkompressor→ Externer Kondensator → Elektronisches Expansionsventil → Plattenwärmetauscher Das Kältemittel zirkuliert nur im vorderen Fahrgastraum und gelangt nicht in den Fahrgastraum.

Sekundärer Kühlmittelkreislauf

Plattenwärmetauscher (nimmt Wärme vom Kältemittel auf) → Kabinenheizung → Batteriekühler Das Kühlmittel fungiert als Zwischenwärmeübertragungsmedium und liefert Wärmeenergie an die Passagierkabine undBatterie-Wärmemanagementsystem. Grundprinzip: Der Plattenwärmetauscher ermöglicht die Übertragung von Wärmeenergie im Kreuzkreislauf und sorgt so für eine physikalische Isolierung zwischen dem brennbaren Kältemittel und dem Fahrgastraum.

Mehrstufiges Sicherheitsredundanzdesign (konform mit den europäischen R290-Vorschriften)
Um die Entflammbarkeitseigenschaften des Propan-Kältemittels R290 zu berücksichtigen, verfügt das System über eine Sicherheitsstrategie mit doppeltem Schutz, um die Sicherheit im Fahrgastraum zu gewährleisten.

Sicherheitsfunktion	Beschreibung
Leckerkennung + Lüftungsschutz	Ausgestattet mit zwei Kältemittellecksensoren. Sobald eine R290-Leckage erkannt wird, aktiviert das System automatisch die Zwangsbelüftung des Fahrzeugs, um die im Vorderraum angesammelten brennbaren Gase schnell zu verdünnen.
Mehrstufiger aktiver Stromabschaltschutz	Es wird eine hierarchische Energieschutzstrategie implementiert. Unter anormalen Bedingungen wie übermäßiger Kältemittelleckage, Überhitzung oder Überdruck trennt das System nach und nach die Stromversorgung des Kompressors und die Hochspannungsversorgung, um potenzielle Brand- und Explosionsrisiken auszuschließen.

3. R290 + Abwärmerückgewinnungssystem (Elektroantrieb / Batterie integriert)

Die indirekte Wärmepumpe R290 + zweistufige Dampfeinspritzung + integrierter Elektroantrieb//Batterie-Abwärmerückgewinnungs-Wärmemanagementsystem wurde für spezielle Fahrzeugplattformen entwickelt, die in extrem kalten Klimazonen betrieben werden, wobei der Schwerpunkt auf der Verbesserung der Reichweite im Winter liegt. Es stellt eine der fortschrittlichsten Technologielösungen im Bereich des Niedertemperatur-Wärmemanagements dar. Durch diese Architektur wird ein optimales Gleichgewicht zwischen umweltfreundlichen Kältemitteln, Fahrgastsicherheit und Leistung im Winterbereich erreicht.
Das gesamte System behält die indirekte Zweikreisarchitektur bei, um eine sichere Anwendung des Kältemittels R290 zu gewährleisten. Die R290-Füllmenge wird auf 120–180 g begrenzt, während ein Plattenwärmetauscher das brennbare Kältemittel physisch vom Fahrgastraum isoliert und so die Sicherheitsanforderungen an Bord für Kältemittel der Klasse A3 erfüllt.
Auf dieser Grundlage integriert das System eine zweistufige Dampfeinspritzkompressortechnologie mit einem umfassenden Abwärmerückgewinnungsmechanismus, der mehrere Wärmequellen, darunter den Elektromotor, die Leistungselektronik und die Traktionsbatterie, koppelt. In Kombination mit einem Fuzzy-adaptiven intelligenten Wärmepumpen-Steuerungsalgorithmus ermöglicht das System eine koordinierte Echtzeitplanung und -optimierung mehrerer Wärmequellen und bewältigt so effektiv die Herausforderungen der Branche, nämlich die verringerte Heizeffizienz herkömmlicher Luftwärmepumpen und einen erheblichen Reichweitenverlust im Winter bei extremer Kälte.

Aus grundlegender thermodynamischer Sicht leiden herkömmliche Luftwärmepumpensysteme beim Betrieb von Elektrofahrzeugen unter extrem kalten Bedingungen von -20 °C oder darunter unter übermäßig niedrigen Temperaturen auf der Verdampfungsseite, was direkt zu einem erheblichen Anstieg des Kompressordruckverhältnisses und einer erheblichen Reduzierung des Gesamtsystem-COP führt.
Bei dieser Lösung erfasst der Abwärmerückgewinnungskreislauf kontinuierlich die während des Betriebs der MCU, der PDU, der elektronischen Steuerungssysteme und der Traktionsbatterie erzeugte Wärmeenergie und überträgt die zurückgewonnene Wärme in den Wärmeaustauschkreislauf der Wärmepumpe. Dadurch wird die Temperatur auf der Verdampfungsseite effektiv erhöht, die Arbeitsbelastung des Kompressors verringert und die Effizienz der Niedertemperaturheizung grundlegend verbessert.
Technischen Testdaten zufolge kann das mit Abwärme gekoppelte R290-Wärmepumpensystem unter der standardmäßigen extremen Kältebedingung von -20 °C eine stabile Heizleistung von 4,5–5,2 kW bei einem System-COP ≥ 2,7 bereitstellen. Selbst bei einer extrem niedrigen Temperatur von -25 °C kann der COP des Gesamtsystems immer noch über 2,4 bleiben.
Gleichzeitig wurde die Reaktionsgeschwindigkeit der Kabinenheizung um mehr als 25 % verbessert. Im Vergleich zu herkömmlichen Luftwärmepumpensystemen ohne Abwärmerückgewinnung verbessert diese integrierte Lösung die Gesamtenergieeffizienz des Systems um mehr als 20 % und führt letztendlich zu einer deutlichen Verbesserung der Reichweite im Winter um 30–50 %. Dadurch eignet sich die Technologie hervorragend für Elektrofahrzeuge, die in nördlichen Regionen, nordischen Ländern und anderen Märkten mit extrem kaltem Klima eingesetzt werden.

Allerdings birgt die Architektur der tiefen Abwärmekopplung auch Herausforderungen hinsichtlich der Systemkomplexität.
Das System muss gleichzeitig die dynamische Zuweisung mehrerer Wärmequellen verwalten, darunter:

• Wärmequelle der Umgebungsluft
• Abwärme des Elektromotors
• Abwärme der Leistungselektronik
• Batterieabwärme

Dies erfordert mehrkanalige Temperatur- und Drucksensoren für die integrierte Datenerfassung in Kombination mit einem adaptiven Fuzzy-Steuerungsalgorithmus, um ein präzises Energiemanagement unter verschiedenen Betriebsbedingungen, einschließlich Fahr-, Lade- und Kabinenheizszenarien, zu erreichen.
Wenn die Steuerstrategie für das Wärmemanagement nicht ausreichend kalibriert ist oder die Logik zur Verteilung des Wärmestroms aus mehreren Quellen nicht richtig optimiert ist, können potenzielle Probleme auftreten, darunter:

• Störung durch Wärmequelle
• Reduzierte Gesamtheizeffizienz
• Verminderte Betriebsstabilität des Systems

Daher stellt diese Technologie höhere technische Anforderungen an die VCU-Hardware-/Softwareentwicklung, das Design der Wärmemanagementstrategie und die Systemkalibrierung.
Daher eignet sich diese Lösung besser für spezielle Fahrzeuge, die in extrem kalten Regionen eingesetzt werden, sowie für batterieelektrische Premiumfahrzeuge, die maximale Winterleistung und erweiterte Wärmemanagementfähigkeiten erfordern.

Entwicklungstrends der R290-Wärmepumpentechnologie

Insgesamt weisen die drei Hauptrouten der R290-Wärmepumpentechnologie klare technische Kompromisse auf:

Technologieroute	Hauptvorteile	Hauptherausforderungen	Typische Anwendung
Direktverdampfendes R290-Wärmepumpensystem	Höchste Systemeffizienz, niedrigste Herstellungskosten, vereinfachte Architektur	Erfordert einen strengen Explosionsschutz auf Fahrzeugebene und eine Konstruktion zum Schutz vor Kältemittellecks	Kostensensible Kompakt-Elektrofahrzeuge wie A00-, A0- und A-Segment-Fahrzeuge
Grundlegendes indirektes R290-Zweikreissystem	Überlegene Sicherheit der Passagiere durch physische Isolierung des brennbaren Kältemittels mithilfe eines sekundären Kühlmittelkreislaufs	Zusätzliche Wärmeübertragungsverluste, erhöhte Systemkomplexität und Kosten	B/C-Segment-Pkw und SUVs, insbesondere Modelle für den europäischen Markt
R290-Wärmepumpe mit tiefem Elektroantrieb/Batterie-Abwärmerückgewinnung	Hervorragende Heizleistung bei niedrigen Temperaturen und deutliche Verbesserung der Winterreichweite	Höchste Komplexität bei der Kalibrierung von thermischen Koordinations- und Steuerungsalgorithmen aus mehreren Quellen	Premium-Elektrofahrzeuge und -Fahrzeuge für extrem kalte Regionen

Zukünftige Entwicklungsrichtung der R290-Wärmemanagementtechnologie

Der langfristige Entwicklungstrend der Branche wird sich in Richtung eines integrierten Ansatzes mit mehreren Technologien bewegen. Unter Beibehaltung der grundlegenden Sicherheitsanforderungen für Bordanwendungen werden zukünftige R290-Wärmemanagementsysteme die Effizienzlücke zwischen indirekten Architekturen und Direktexpansionslösungen durch die Optimierung hocheffizienter Plattenwärmetauscher, die Reduzierung von Wärmeübertragungsverlusten in sekundären Kühlmittelkreisläufen und die Integration von Abwärmerückgewinnung aus mehreren Quellen und koordinierten Wärmemanagementmechanismen weiter verringern.
Durch kontinuierliche Weiterentwicklungen bei hochpräzisen Kältemittelleckerkennungssensoren, hochdichtenden Rohrleitungsmaterialien und adaptiven Steueralgorithmen für das Wärmemanagement werden die Anwendungsszenarien und die Fahrzeugabdeckung des natürlichen Kältemittels R290 in Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeugen mit neuer Energie weiter zunehmen.
Insgesamt stellt R290 mit seinen Vorteilen einer hohen Energieeffizienz und einem extrem niedrigen GWP ein vielversprechendes und praktisches alternatives Kältemittel für Wärmemanagementsysteme von Fahrzeugen mit neuer Energie dar. Allerdings gibt es keine standardisierte R290-Lösung, die universell die Anforderungen aller Fahrzeugplattformen erfüllen kann.
Automobilhersteller müssen die geeignete technische Route basierend auf mehreren Faktoren auswählen und optimieren, darunter:

• Zielmarktsicherheitsvorschriften
• Betriebsklimabedingungen
• Positionierung der Fahrzeugkosten
• Gesamtarchitektur für das Wärmemanagement

Die wichtigste Forschungsrichtung für die künftige R290-basierte Fahrzeug-Wärmemanagementtechnologie wird darin bestehen, das optimale Gleichgewicht zwischen hoher Systemenergieeffizienz und maximaler Fahrgastsicherheit zu erreichen und so kontinuierliche Innovation und Weiterentwicklung von Wärmemanagementlösungen für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation voranzutreiben.
Die größte Herausforderung für die künftige Entwicklung des Wärmemanagements von R290-Fahrzeugen wird darin bestehen, das optimale Gleichgewicht zwischen maximaler Systemeffizienz und Fahrgastsicherheit zu erreichen und so kontinuierliche Innovationen bei den EV-Wärmepumpentechnologien der nächsten Generation voranzutreiben.