Elektrische Wasserpumpen: Hauptanwendungen in Verbrennungsmotoren, Hybrid- und Elektrofahrzeugen

Elektrische Wasserpumpen gibt es schon seit vielen Jahren. Bis zum letzten Jahrzehnt hat man ihnen jedoch selten besondere Achtung geschenkt. Heute sieht dies jedoch ganz anders aus, denn elektrische Wasserpumpen sind zur Erhaltung der optimalen Funktion von Kühlsystemen sowohl in Verbrennungsmotoren als auch in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zunehmend unverzichtbar geworden. Im Folgenden werden wir diese Entwicklung verfolgen, indem wir uns die verschiedenen Einsatzbereiche von elektrischen Wasserpumpen ansehen – sowohl von Hauptwasserpumpen als auch von denen, die für das Wärmemanagement von Fahrzeugen verantwortlich sind (von der Kühlung des Turboladersystems bis hin zur Batteriekühlung). Außerdem stellen wir Ihnen die wichtigsten Pumpenkomponenten vor.  

Die Hauptanwendungsbereiche von elektrischen Wasserpumpen

Ein Blick auf die Hauptanwendungsbereiche elektrischer Wasserpumpen ist eine der besten Möglichkeiten, um zu verstehen, wie sie sich entwickelt haben.

Programmierbare Zusatzheizung

Die programmierbare Zusatzheizung war eine der ersten Anwendungen, in denen elektrische Wasserpumpen zum Einsatz kamen. In solchen Systemen heizt eine Zusatzheizung mit fahrzeugeigenem Kraftstoff die Kühlflüssigkeit auf die Temperatur auf, die zum Aufwärmen des Fahrgastraums erforderlich ist. So ist nicht nur gewährleistet, dass der Innenraum beim Einsteigen angenehm warm ist, sondern auch, dass der Motor mit optimaler Temperatur anläuft, wodurch der Verschleiß an den entsprechenden Teilen reduziert wird. In den meisten Fällen steuert das Klimagerät sowohl die Zusatzheizung als auch die elektrische Wasserpumpe, so dass eventuell im Kühlsystem vorhandene Restwärme genutzt werden kann, um auch nach dem Abstellen des Motors ein Weiterheizen zu gewährleisten.

Elektrische Wasserpumpe

Pumpen zur Unterstützung des Kühlsystems

Kühlsysteme werden immer komplexer, da die Fahrzeughersteller die Leistung ihrer Fahrzeuge kontinuierlich verbessern. Heutzutage benötigen diese Systeme nicht nur modulare Schläuche, sondern auch elektrische Wasserpumpen, um unabhängig vom von der mechanischen Hauptpumpe bereitgestellten Kühlmittelstrom oder sogar in völlig separaten Kreisläufen zu arbeiten. 

 

Vermeidung von Überhitzung und Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten

Die ersten Pumpen auf dem Markt waren elektrische Pumpen, die nach dem Abstellen des Motors noch eine Weile Kühlmittel pumpen. Durch die Senkung der Motortemperatur werden Überhitzungen vermieden, und die Lebensdauer der Komponenten wird verlängert. Sie funktionieren ähnlich wie Zusatzheizungspumpen, da in manchen Fällen der Fahrgastraum nach dem Abstellen des Motors noch eine weitere Zeit lang beheizt wird.

Wärmemanagementsystem

Inzwischen ist das Kühlsystem in vielen Fahrzeugen zum Wärmemanagementsystem geworden, wobei die Motorsteuerung alle Elemente steuert und bestimmt, welche Reaktionen erfolgen, um jede Komponente auf der richtigen Betriebstemperatur zu halten.

Im Kontext des Wärmemanagements ist es wichtig, besonders auf mit Stopp-/Start-Systemen ausgestattete Mikrohybrid-Fahrzeuge und andere Hybridfahrzeuge hinzuweisen. Um den Kühlmittelfluss zu Hilfselementen wie dem Turbo oder der Innenraumheizung trotz häufigem Stoppen und Starten des Motors aufrechtzuerhalten, sind sie auf eine elektrische Wasserpumpe angewiesen. So verlängert die Pumpe die Lebensdauer des Turbos, verhindert vorzeitige Ausfälle und sorgt dafür, dass der Fahrgastraum bei Bedarf weiterhin mit warmer Luft versorgt wird.

Darüber hinaus beobachten wir einen zunehmenden Trend zur Kühlung der Gase, die vom Turbo oder Kompressor mithilfe eines Zwischenkühlers verdichtet werden, der mit Kühlmittel statt mit Außenluft betrieben wird. Diese Gase müssen gekühlt werden, um die Effizienz zu steigern: Da heiße Luft eine geringere Dichte hat, enthält sie weniger Sauerstoff zur Verbrennung durch den Motor. Wenn diese Gase abgekühlt werden, steigt die Dichte und damit der Sauerstoffgehalt, was zu einem leistungsstärkeren Motor führt.

 

Wasserpumpe 41554E

Einige moderne Elektrofahrzeuge verfügen sogar über bis zu vier elektrische Wasserpumpen für ihr Wärmemanagement.

Elektrofahrzeug mit vier elektrischen Wasserpumpen

Hauptwasserpumpen

 

Elektrische Hauptwasserpumpen verbrauchen weniger Kraftstoff als ihre mechanischen Gegenstücke, da letztere ständig Energie vom Motor verbrauchen, weil sie kontinuierlich in Bewegung sind und vom Steuerriemen oder Nebenantriebsriemen bewegt werden. Wenn also eine mechanische Pumpe durch eine elektrische Pumpe ersetzt wird, die je nach tatsächlichem Bedarf des Motors aktiviert werden kann, kann dies zu einer erheblichen Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führen. 

In der Aufwärmphase des Motors kann beispielsweise das Steuergerät entscheiden, dass die Wasserpumpe überhaupt nicht aktiviert wird, damit die Betriebstemperatur früher erreicht werden kann. In unserem Artikel über elektrisch gesteuerte Thermostatehaben wir gesehen, wie die von BMW eingebaute Wasserpumpe 41504E den Volumenstrom des Kühlmittels erhöhen oder verringern und die Kühlmitteltemperatur an den Fahrstil anpassen kann. 

Wasserpumpe 41504E

Pumpenkomponenten

Im Laufe der Jahre hat sich nicht nur der Einsatz von elektrischen Wasserpumpen geändert, sondern auch die Technologie, auf der sie basieren. Die ersten Arten von elektrischen Wasserpumpen, die verwendet wurden, waren herkömmliche Gleichstrompumpen mit Bürsten oder elektrischen Kontakten, die elektrischen Strom zwischen stationären und rotierenden Motorteilen leiteten. Jetzt hat sich dieser Trend geändert, und bürstenlose Motoren werden häufiger eingesetzt. 

 

Obwohl es viele verschiedene Ausführungen gibt, ist der Aufbau der verschiedenen Wasserpumpen sehr ähnlich. Die Hauptbestandteile:

 

• Laufrad/Rotor: Diese Komponente ist für die Bewegung des Kühlmittels mithilfe eines Rotors mit Antriebsschaufeln verantwortlich. Im Inneren dieses Rotors befinden sich die Permanentmagnete, die in einem bürstenlosen Motor erforderlich sind, um die Drehbewegung zu erzeugen. 
• Hauptteil/Stator: Diese Komponente erzeugt Magnetfelder durch die Wicklungen, damit sich der Rotor dreht.
• Steuergerät: Dieses Gerät wandelt den empfangenen Gleichstrom in Drehstrom um, der zum Stator übertragen wird. Dank eines Pulsweitenmodulationssignals (PWM) erkennt die Leiterplatte die Drehzahl, mit der sich die Pumpe drehen muss (obwohl einige Pumpen über den Datenbus des Fahrzeugs gesteuert werden).

Die Hauptkomponenten einer elektrischen Wasserpumpe

Fehlerzustände

Um mehr über die häufigsten Fehlerzustände zu erfahren, lesen Sie bitte unseren Artikel über die einzigartigen Eigenschaften von elektrischen Wasserpumpen und die Hauptursachen für deren Ausfall.

Diese neueren Pumpen werden überwacht und erzeugen einen Fehlercode, wenn die Steuereinheit ein Problem erkennt. Wie immer wird jedoch empfohlen, den Schaltplan zu überprüfen:

1. Netzkabel (Spannung prüfen, um sicherzustellen, dass die volle Batterieleistung verfügbar ist (12 bis 14,8 V))
2. Erdungskabel (Erdungswiderstand messen)
3. Signal-/Datenbuskabel zum Steuergerät (Widerstand zwischen Stecker der elektrischen Wasserpumpe und Motorsteuergerät sollte unter 0,4 Ohm liegen)