HVCH Pressure Drop: Matching the Heater to the Vehicle Coolant Loop | EVLINK

In heater projects, a ‘pressure drop curve’ invariably finds its way onto someone’s desk. It looks reassuring: smooth lines, clearly labelled axes, and the supplier’s logo printed in the corner. It is all too easy to file it away as ‘checked’ and move on to the next task.

However, we would advise against doing so.

This curve actually answers only one question: under specific measurement conditions, how much resistance is generated when a fluid flows through the heater at a specific flow rate. However, your vehicle’s system raises three more challenging questions: do the measurement conditions match those of your actual pipework system? And how much additional resistance do the other parts of the pipework system—apart from the heater itself—introduce? Under the vehicle’s own power supply conditions, and when faced with this total resistance, can your water pump really deliver the required flow rate? Until you have found the answers to these three questions, this curve is merely a ‘statement’, not reliable ‘data’. If a curve cannot be verified, it cannot be considered data at all. This may sound a little harsh, but we regard it as a working principle—because the projects that encounter problems during winter testing are often those that failed to adhere to this principle in the first place.

This article presents a checklist that we use internally. It has been written specifically for purchasers or engineers who have a curve to hand but do not know how to interpret it.

Behind every pressure drop curve lie some key ‘details’: the type of fluid used in the measurement, its concentration, the temperature, and the flow rate range covered by the actual measurement. If any one of these four pieces of information is missing from the documentation you have received, stop—because what you have is not a genuine ‘curve’, but merely a line on paper.

There are three types of ‘mismatch’ that are very common and extremely easy to overlook, as the curve itself often appears flawless.

The first is ‘fluid mismatch’. For example, a curve measured using pure water may be directly applied to a piping system operating with a glycol mixture. As different fluids behave differently within the same passageway, the resistance values indicated by the curve will not correspond to the resistance actually generated in your piping system. The second is ‘temperature mismatch’. Curves measured on a test bench at ambient temperature are sometimes directly applied to ‘cold start’ conditions—when fluid viscosity is higher and circuit operation is at its most difficult to control. A further scenario involves the use of ‘single-point data’ to masquerade as a ‘curve’: a single data point is measured and connected to the origin by a straight line, giving the impression that the entire operating range has been tested. This straight line is merely an assumption, not a measured result.

We adhere to a simple principle, which we apply across all our documentation: if a particular operating condition is missing, it must be explicitly marked as ‘unconfirmed’ in the very same document containing the curve . It must not be treated as a footnote to be verified at a later date, nor should it be assumed to be common knowledge. The term ‘unconfirmed’ must be stated in writing until the supplier has provided the missing data. Gaps in the data often evolve into ‘assumptions’ by the third meeting, and it is precisely these assumptions that are most likely to cause system failure during actual operation (such as in the severe cold conditions of January).

The heater is merely one of many sources of resistance in the circuit. Hoses, valves, heat exchangers, bends, manifolds, filters, cold plates, pipe fittings—each of these contributes a certain amount of resistance. The pump ‘perceives’ not just the heater, but the total resistance of the entire circuit.

Therefore, based on actual operating conditions, analyse the circuit configuration for each operating mode one by one and add up the resistance of each component. A circuit that appears simple on a system schematic often conceals paths that are only activated in specific modes, or branches through which fluid only flows when valve positions change. If your calculations cover only the first mode that comes to mind, the pump operating point you calculate will actually correspond to a circuit that does not exist.

There is another pitfall—and it is the most ‘costly’ one in this entire subject: the pump characteristic curve you use must be based on the vehicle’s actual low-voltage power supply conditions and engine speed. The ‘free flow’ data provided in product manuals is usually measured on a laboratory test bench under conditions of ample supply voltage, which often overestimates the pump’s actual performance. On a cold morning, when other low-voltage loads on the vehicle are activated simultaneously, the on-board power supply system is simply unable to provide such a high voltage. You must ensure you obtain a characteristic curve that matches the vehicle’s actual operating conditions, or request written confirmation from the supplier that the curve in their manual is indeed applicable to those conditions.

Furthermore, it is essential to understand the nature of the problem: resistance increases far more rapidly than flow rate. Within the same circuit, attempting to increase the flow rate causes resistance to rise disproportionately and sharply; consequently, the challenges posed by system resistance are most severe at the upper limit of the flow range. A circuit that performs well at moderate flow rates may, when the flow reaches its upper limit, become as difficult to pass through as ‘hitting a brick wall’. This is why it is essential to examine the entire flow range, rather than focusing solely on a single nominal operating point.

Most automotive circuits consist not of a single pipe but of branches. Once branches are introduced, the total flow rate is no longer the key indicator; what truly matters is the actual flow rate allocated to each branch.

Valve states can switch: one branch may open whilst another closes, and the flow rate to a heater branch that was previously well-supplied may consequently decrease. On a cold morning, both the battery heating system and the cabin heating system may require heat simultaneously, and the circuit must be capable of meeting the demands of both at the same time. If calculations focus solely on total flow rate, the issue of insufficient flow in the heater branch when demand peaks can easily be overlooked.

It is therefore essential to clearly define the ‘worst-case scenario’: at a specific temperature, which branches are open simultaneously? What are the valve positions? How much flow can the heater branch receive at that point? Furthermore, where is the temperature measured? Is it based on the battery inlet, the heater outlet, or the temperature setpoint of the cabin circuit? Determining the measurement points may seem like mere paperwork, but if two teams arrive at different conclusions due to differing measurement locations—with one team deeming the test a pass whilst the other deems the vehicle a fail—this can lead to serious problems.

We have witnessed such disputes fester over weeks of email correspondence. The outcome is invariably the same: as soon as someone clearly sets out the branches, valve positions and measurement points, the disagreement is resolved. It is far better to record these details clearly from the outset, thereby saving weeks of pointless debate.

Bei einem reinen Prüfstandstest des Heizelements selbst kann lediglich das Heizelement selbst überprüft werden, nicht jedoch der gesamte Kreislauf. Um den Kreislauf zu überprüfen, muss der Prototyp unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs getestet werden – d. h. mit derselben Flüssigkeit, demselben Mischungsverhältnis, derselben Spannung und denselben Umgebungsbedingungen –, wobei sicherzustellen ist, dass sich der gesamte Kreislauf in realistischen Ventilzuständen befindet und das Heizelement nicht lediglich auf einem Prüfstand getestet wird.

An jedem Leistungspunkt ist ein vollständiger Datensatz aufzuzeichnen: Ein- und Auslasstemperatur, tatsächlicher Durchfluss, Druckabfall am Heizelement, Spannung und Stromstärke, Mischungsverhältnis des Kühlmittels sowie Umgebungstemperatur. Die Tests sollten mehrere Leistungspunkte abdecken und nicht auf einen einzigen beschränkt sein. Ein einzelner Datenpunkt belegt lediglich, dass das System an diesem Punkt ordnungsgemäß funktioniert, spiegelt jedoch nicht die Grenzbedingungen wider – und gerade unter diesen Grenzbedingungen treten häufig „Winterbedingungen“ auf.

Darüber hinaus sollten Kaltstarttests unter den Bedingungen durchgeführt werden, wie sie beim tatsächlichen Fahrzeugbetrieb herrschen. Zunächst sollte eine ausreichende Kaltphase (Cold Soak) erfolgen, bevor der Startvorgang eingeleitet wird; die Tests sollten unter realen Fahrzeugbedingungen mit den tatsächlich verwendeten Flüssigkeiten und Spannungen durchgeführt werden. Selbst bei noch so sorgfältiger Durchführung sind „Tests bei warmem Wetter“ in einer behaglichen Werkstatt keineswegs mit einem echten Kaltstart gleichzusetzen.

Schließlich sollte vor der Inbetriebnahme des Systems ein Konsens über das Fehlerverhalten erzielt werden. Beispiele hierfür sind: Ausfall des Pumpensignals, Durchfluss unterhalb des zulässigen Bereichs, Erreichen des Grenzwerts der Auslasstemperatur oder ein Sensorausfall. Wie soll sich das System in jedem der oben genannten Fälle verhalten? Wie werden die einzelnen Reaktionen aufeinander abgestimmt? Diese sollten nicht als „Randfälle“ betrachtet werden, die nur in separaten Dokumenten existieren, sondern zusammen mit den Durchflussparametern in die Abnahmegespräche einbezogen werden – schließlich dürfen diese Fehler keinesfalls erst im Fahrzeug des Kunden zum ersten Mal auftreten.

Wenn Sie sich aus diesem Artikel nur eine Sache merken können, dann bitte diese Liste. Senden Sie diese Liste zusammen mit Ihrer Anfrage nach Leistungskurven an den Lieferanten und bewahren Sie die Antwort des Lieferanten sowie die Leistungskurven sorgfältig auf.

Erstens: Stellen Sie die „Druckabfall-Durchfluss“-Kurve für dieses konkrete Modell bereit und kennzeichnen Sie dabei eindeutig die Art der Flüssigkeit, die Konzentration, die Temperatur sowie den Durchflussbereich. Akzeptieren Sie keinesfalls allgemeine Kurven, die lediglich mit dem Vermerk „ähnliches Modell“ versehen sind; es müssen die spezifischen Daten für dieses konkrete Modell sein.

Zweitens: Legen Sie im selben Dokument den zulässigen Durchflussbereich sowie die Grenzwerte für die Auslasstemperatur dieses Modells eindeutig fest.

Drittens: Legen Sie die Leistungskurve der Pumpe (basierend auf der tatsächlichen Stromversorgung und Drehzahl des Fahrzeugs) sowie einen Schaltplan des Kreislaufs vor und kennzeichnen Sie dabei die Ventilstellungen und die einzelnen Zweigwege für jeden Betriebsmodus. Viertens müssen beide Parteien ein Abnahmetestprotokoll unterzeichnen, in dem die Einlasstemperatur, die Spannung, das Kühlmittelmischungsverhältnis und die Umgebungsbedingungen eindeutig festgelegt sind und für jeden Parameter entsprechende Grenzwerte für Durchfluss, Wärmeübertragung, Druckabfall und Auslasstemperatur festgelegt werden. Beim Betrieb des Prototyps muss die Überprüfung anhand dieser Teststandards erfolgen und darf nicht allein auf der Grundlage eines vagen Eindrucks wie „alles scheint normal zu sein“ beurteilt werden.

Alle nicht ausgefüllten Punkte werden in demselben Dokument als „nicht bestätigt“ gekennzeichnet. Dies ist kein Vorwurf, sondern lediglich eine Art der Dokumentation. Ein Punkt, der fünf bestätigte und zwei nicht bestätigte Elemente enthält, ist in einem besseren Zustand als ein Punkt, bei dem alle sieben Elemente unüberprüft sind – denn zumindest ist dem Team klar, in welchen Bereichen noch Lücken bestehen.

Senden Sie uns Ihre Kreislaufdaten zu, und wir werden diese Punkt für Punkt detailliert für Sie bewerten.

Die in diesem Artikel beschriebene Methode gilt für unsere gesamte Produktpalette und kann sowohl bei kleinen 2-kW-Anlagen als auch bei 35-kW-Anlagen angewendet werden. Der einzige Unterschied besteht in den Kennlinien, nicht in der Methode selbst. Aus diesem Grund geben wir keinen einheitlichen Wert für Durchfluss oder Druckabfall an – denn für die meisten Kreisläufe wäre dies kein genauer Anhaltspunkt; bei anderen Kreisläufen könnte er sogar irreführend sein.

Wenn Sie ein Heizgerät für Ihren Kreislauf auswählen möchten, stellen Sie uns bitte folgende Informationen zur Verfügung: Schema des Kreislaufs, Leistungskurve der Pumpe auf der Flüssigkeitszufuhrseite des Fahrzeugs, Spezifikationen der Kühlflüssigkeit sowie Anforderungen an den Kaltstart. Wir werden jeden Punkt einzeln bewerten und Ihnen klar mitteilen, welche Parameter bereits bestätigt sind und welche noch näher geklärt werden müssen. Wir werden Sie niemals auffordern, Ihre Entscheidung allein auf der Grundlage einer einzigen Kurve zu treffen; Sie sollten eine solche Vorgehensweise nicht akzeptieren – ganz gleich, von wem sie kommt.