Kühlung von EV-Batterien: Herausforderungen und Lösungen

Titelfoto: Cold Plate mit freundlicher Genehmigung von Lucid Motoren

Die heutige Technologie ermöglicht eine effizientere Nutzung und Kontrolle der Wärmeenergie in Elektroautos. Das Temperaturmanagement wird zwischen Komponenten wie der Batterie, dem HLK-System (Heizung, Lüftung und Klimaanlage), dem Elektromotor und dem Wechselrichter optimiert. Dies geschieht mit Hilfe eines so genannten Battery Thermal Management System (BTMS). 

Wenn sich beispielsweise der Motor erhitzt, kann die Wärme in den Innenraum oder in die Batterie umgeleitet werden, um die Energie optimal zu nutzen.

Um die Herausforderungen bei der Herstellung von Batterien für Elektrofahrzeuge und die entsprechenden Lösungen besser zu verstehen, sollten wir uns mit den folgenden Themen beschäftigen:

• Kühlmethoden für EV-Batterien
• Warum EV-Batterien gekühlt werden müssen
• Herausforderungen für das Wärmemanagement
• Beispiele für Battery Thermal Management Systems
• Laser zur Verbesserung des Wärmemanagements in Batterien

Kühlmethoden für EV-Batterien

EV-Batterien können durch Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung gekühlt werden. Flüssigkeitskühlung ist für die Erfüllung moderner Kühlanforderungen die bevorzugte Methode. Sehen wir uns beide Methoden an, um den Unterschied zu verstehen.

Luftkühlung

Bei der Luftkühlung wird die Batterie mit Luft gekühlt; es gibt passive und aktive Formen. 

Bei der passiven Luftkühlung wird Außen- oder Kabinenluft zur Kühlung oder Erwärmung der Batterie verwendet. Die Wärmeabgabe ist in der Regel auf einige hundert Watt begrenzt. 

Bei der aktiven Luftkühlung wird die Luft von einer Klimaanlage angesaugt, die einen Verdampfer und eine Heizung zur Temperaturregelung der Luft enthält. Sie ist in der Regel auf 1 kW Kühlleistung begrenzt und kann zum Kühlen oder Heizen des Fahrgastraums verwendet werden.

Die aktive Kühlung ist komplexer und teurer, bietet aber bessere Leistungen wie Antrieb und Ladeleistung. Sie ist auch effektiver bei der Ableitung von Wärme aus der Batterie, aber erfordert mehr Energie, um die Temperatur der Batterie zu regeln. Der Unterschied zwischen aktiver und passiver Kühlung besteht darin, dass für die passive Kühlung kein externes System erforderlich ist, während bei der aktiven Kühlung externe Geräte oder Systeme zur Kühlung des Akkus eingesetzt werden, wie z. B. Lüfter, Kühlkörper und Kühlflüssigkeiten (im Falle der Flüssigkeitskühlung).  

Flüssigkeitskühlung

Die Flüssigkeitskühlung ist die beliebteste Kühltechnologie. Zur Kühlung der Batterie wird ein flüssiges Kühlmittel wie Wasser, ein Kältemittel oder Ethylenglykol verwendet. Die Flüssigkeit fließt durch Rohre, Kühlplatten oder andere Komponenten, die die Zellen umgeben und die Wärme an einen anderen Ort, z. B. einen Heizkörper oder einen Wärmetauscher, weiterleiten. Flüssigkeitsführende Komponenten verhindern den direkten elektrischen Kontakt zwischen den Zellen und dem flüssigen Kühlmittel.

Da bei der Flüssigkeitskühlung Pumpen, Lüfter und andere Geräte zur aktiven Wärmeabfuhr und -umleitung eingesetzt werden, handelt es sich um eine aktive Form der Kühlung.

Einige Wärmemanagementsysteme verwenden ein Medium mit direktem Kontakt wie Öl oder andere dielektrische Flüssigkeiten, die direkt mit den Zellen in Berührung kommen. Dies wird vor allem in Nicht-Verbraucher-EVs verwendet, da sie weniger sicher sind und eine weniger effektive Isolierung zwischen den Zellen und der Umgebung bieten.

Kühlungsmethoden im Laufe der Zeit

Heutzutage sind die meisten Batterien flüssigkeitsgekühlt und werden aktiv gekühlt, da sich die Temperatur so besser regeln lässt. Flüssigkeiten sind bessere Wärmeleiter als Luft, genauer gesagt, Hunderte Male besser, was das Temperaturmanagement erleichtert.

Da die Herstellung von Batterien zu Beginn der EV-Revolution sehr viel teurer war, setzten die Hersteller alles daran, die Produktionskosten zu minimieren, was die passive Luftkühlung attraktiver machte. Doch die Kosten für Batterien sind in den letzten zehn Jahren gesunken, und die Schnellladung, die eine anspruchsvollere Kühlung erfordert, hat an Popularität gewonnen. Infolgedessen hat die Technik der passiven Luftkühlung an Popularität verloren.

Anfang der 2010er Jahre gab es zum Beispiel zwei Optionen für etwa den gleichen Preis: einen Nissan Leaf mit Luftkühlung und einer Batterie mit größerer Reichweite oder einen Chevy Volt mit aktiver Flüssigkeitskühlung und einer Batterie mit geringerer Reichweite, aber mehr Leistung. Eine leistungsstarke Batterie mit hoher Reichweite und aktiver Kühlung wäre damals zu teuer gewesen.

Die aktive Kühlung ist u. a. deshalb teurer, weil sie mehr Komponenten umfasst, z. B. eine Wärmepumpe, einen Wärmetauscher, eine Umwälzpumpe, Ventile und mehrere Temperaturfühler. Die Kühlergebnisse sind jedoch wesentlich zuverlässiger.

Warum EV-Batterien gekühlt werden müssen

EV-Batterien haben bestimmte Betriebsbereiche, die für die Lebensdauer und Leistung der Batterie entscheidend sind. Sie sind für den Betrieb bei einer Umgebungstemperatur zwischen 20°C und 25°C (68°F und 77°F) ausgelegt. Eine bessere Kontrolle der Batterietemperatur verbessert ihre Leistung und Lebensdauer.

• Im Betrieb können sie Temperaturen zwischen -30°C und 50°C (-22°F und 140°F) standhalten 
• Während des Aufladens können sie Temperaturen zwischen 0°C und 50°C (32°F und 122°F) standhalten 

Batterien erzeugen während des Betriebs viel Wärme, und ihre Temperatur muss innerhalb des Betriebsbereichs gesenkt werden. Bei hohen Temperaturen (zwischen 70°C und 100°C bzw. 158°F und 212°F) kann es zu thermischen Ausreißern kommen, die eine Kettenreaktion auslösen und das Batteriepack zerstört. 

Bei Schnellladungen müssen die Batterien abgekühlt werden. Das liegt daran, dass der hohe Strom, der in die Batterie fließt, überschüssige Wärme erzeugt, die abgeleitet werden muss, um die hohe Ladeleistung zu erhalten und die Batterie nicht zu überhitzen.

Manchmal müssen sie auch aufgeheizt werden, wenn die Temperatur zu niedrig ist, oder um die Leistung zu steigern. Zum Beispiel können Zellen nicht unter 0°C (32°F) geladen werden. Oder Unternehmen wie Tesla bieten in einigen Modellen eine Batterievorwärmung an, um hohe Leistungen zu erzielen und in weniger als 2 Sekunden von 0 auf 100 km/h zu beschleunigen.

Herausforderungen für das Wärmemanagement

Die häufigsten Herausforderungen für das Wärmemanagement von EV-Batterien sind Lecks, Korrosion, Blockierungen, Klima und Alterung. Wie Sie sehen werden, stellen Flüssigkeitskühlsysteme Herausforderungen dar, die es bei Luftkühlsystemen nicht gibt.

• Undichtigkeiten können nur bei Flüssigkeitskühlsystemen auftreten, deren Rohrverbindungen mit zunehmendem Alter der Batterie undicht werden können. Jedes Auslaufen verschlechtert die Leistung und Lebensdauer der Batterie rapide. Sie können sogar dazu führen, dass das Fahrzeug nicht mehr funktioniert, wenn die Feuchtigkeit die elektrische Isolierung der Batterie angreift. Batteriemodule, Verbindungen, Pumpen und Ventile müssen intakt bleiben.
• Korrosion kann nur in Flüssigkeitskühlsystemen auftreten, deren Kühlplatten mit zunehmendem Alter des flüssigen Glykols korrodieren können. Daher muss die Kühlflüssigkeit im Rahmen der Wartung des Fahrzeugs ausgetauscht werden. 
• In den Hunderten von kleinen Kanälen, durch die Flüssigkeit in der Batterie fließt, besteht die Gefahr derBlockierung.
• DieKlimazonen rund um den Globus stellen unterschiedliche thermische Herausforderungen für Batterien dar. Wenn das Auto beispielsweise lange in der prallen Sonne steht oder man im Winter an einem Ort mit extrem niedrigen Temperaturen wohnt. Batterien müssen jederzeit große Temperaturschwankungen verkraften können. Um dies zu erreichen, muss das Kühlsystem der Batterie auch dann aktiv sein, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist.
• Die Alterung verursacht Probleme beim Wärmemanagement, die eingeplant werden müssen. Mit zunehmendem Alter der Batterien geht ein größerer Teil der Energie als Wärme verloren. Das Wärmemanagementsystem muss für diese härteren Bedingungen ausgelegt sein, die später in der Lebensdauer der Batterie auftreten, und nicht nur für die typischen Bedingungen in den ersten Jahren.

Beispiele für Battery Thermal Management Systems

Die folgenden Schemata zeigen Wärmemanagementsysteme in bekannten Elektrofahrzeugen.

Nissan

Weitere Informationen: Das Kühlsystem des Nissan Leaf

Chevrolet Volt

Weitere Informationen: Das Kühlsystem des Chevy Volt

Tesla Model 3

Weitere Informationen: Das Kühlsystem des Tesla Model 3

Laser zur Verbesserung des Wärmemanagements in Batterien

Beim neuen strukturellen Batterietrend werden die Zellen direkt mit dem Chassis des Fahrzeugs verbunden. Wärmeleitmedien (TIMs) wie Lückenfüller und Klebstoffe werden verwendet, um Batteriezellen und Kühlplatten mechanisch zu verbinden und gleichzeitig die Temperatur der Batterie zu regulieren.

Die Lasertechnologie wird zu einem wesentlichen Bestandteil der Batterieherstellung, um die immer anspruchsvolleren Kühlanforderungen zu erfüllen. 

• Laserreinigung: Die TIMs müssen zu jeder Zeit gebunden bleiben. Die beste Möglichkeit, die Qualität und Haltbarkeit der Verklebung zu verbessern, ist die richtige Reinigung der zu verklebenden Teile. Laser bieten eine schnelle, präzise und effiziente Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen.
• Lasertexturierung: Die Wärmeübertragung hängt von der Oberfläche des Materials ab, das die Wärme überträgt: je größer die Oberfläche, desto besser die Wärmeübertragung. Laser können die Oberfläche strukturieren, um eine Rauheit zu erzeugen, die die Wärmeübertragung verbessert.

Da die Batterien von Elektrofahrzeugen neue Leistungen erreichen, müssen die Automobilhersteller mehr denn je das Wärmemanagement und die Kühlung optimieren. Laser sind eines der wichtigsten Werkzeuge, die den Herstellern von Elektrofahrzeugen helfen, diese Ziele zu erreichen. Es wird auch viel an TIMs geforscht, um die Wärmeübertragung zu verbessern und gleichzeitig eine gute elektrische Isolierung und Sicherheit zu gewährleisten.

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