Batterien können nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs arbeiten. Wenn sie zu heiß oder zu kalt sind, beeinträchtigt das ihre Sicherheit, Leistung und Lebensdauer.
Batteriewärmemanagement ist in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen unerlässlich, um die Temperatur der Batterien zu regulieren. Dabei werden Kühl- und Heizsysteme verwendet, um die Temperatur in einem optimalen Bereich zu halten, Temperaturschwankungen zwischen Zellen zu minimieren, Supercharging zu ermöglichen, Fehlfunktionen und thermisches Durchgehen zu verhindern und die Lebensdauer der Batterie zu maximieren.
In diesem Artikel finden Sie alles, was Sie zum Verständnis des Wärmemanagements von Batterien benötigen.
Das Wärmemanagement von Batterien ist ein komplexes Thema. Bevor wir uns mit den verschiedenen Arten von Wärmemanagementsystemen befassen, ist es wichtig, die wichtigsten Konzepte zu verstehen, z. B. woher die Wärme in den Batterien kommt, warum Wärme die Batterien beeinflusst und wo die optimalen Betriebstemperaturen liegen.
Der elektrische Strom, der durch Batterien fließt, stößt in verschiedenen Materialien auf Widerstand. Infolgedessen geht ein Teil der elektrischen Energie als Wärme verloren. Widerstand entsteht beim Laden und Entladen, wenn der Strom durch Elektroden, Elektrolyt, Stromabnehmer, Busbars und verschiedene Verbindungen fließt. Je höher der Strom ist, desto mehr Wärme wird erzeugt.
Batterien sind von Temperaturschwankungen betroffen, da die Temperatur die kinetische Energie der Moleküle in den Batteriematerialien (wie Elektrolyt und Elektroden) beeinflusst. Das macht diese Materialien je nach Temperatur mehr oder weniger leitfähig.
| Bei kälteren Temperaturen haben die Moleküle weniger kinetische Energie, bewegen sich langsamer und stoßen weniger häufig zusammen. Bei höheren Temperaturen bewegen sich die Moleküle schneller, was zu mehr Kollisionen und damit zu mehr chemischen Reaktionen führt. | 
|
Während der Entladung von Lithium-Ionen-Batterien bewegen sich die Lithium-Ionen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode und durchqueren dabei den Elektrolyten und die Elektroden.
Bei kälteren Temperaturen bewegen sich die Elektronen langsamer durch diese Materialien, weil diese Materialien dem Ionenfluss mehr Widerstand entgegensetzen, was zu einer geringeren Leitfähigkeit führt. An kalten Wintertagen zum Beispiel müssen EV-Batterien sich mit Hilfe von Heizschleifen selbst heizen, um eine gute Leitfähigkeit und Leistung zu gewährleisten, was mehr Strom aus der Batterie zieht.
Bei höheren Temperaturen bewegen sich die Elektronen schneller, was zu einer schnelleren Ladeleistung, aber auch zu schnelleren Leistungseinbußen der Batteriekomponenten führt. Höhere Batterietemperaturen ermöglichen Supercharging, um den Bedürfnissen der Verbraucher gerecht zu werden, allerdings um den Preis einer kürzeren Batterielebensdauer.
| Verschiedene Batterietypen werden von der Temperatur unterschiedlich beeinflusst. |
Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in den meisten Elektrofahrzeugen verwendet werden, können zwischen –20 °C und 60 °C betrieben werden. Ihre optimale Betriebstemperatur liegt jedoch zwischen 15 °C und 35 °C, das ist der Bereich, in dem sie am besten funktionieren. Um die Leistung und Langlebigkeit des Batteriepacks zu maximieren, ist es wichtig, eine gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen allen Batteriezellen aufrechtzuerhalten. Im Idealfall beträgt die maximale Abweichung der Oberflächentemperatur nicht mehr als 5 °C. |  |
| Jeder Batterietyp hat einzigartige Eigenschaften, die das Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen beeinflussen. Folglich hat die Art der Batterie einen großen Einfluss auf das Wärmemanagement der Batterie. |  |
Eine der Hauptfunktionen eines Wärmemanagementsystems für Batterien besteht darin, der Batterie Wärme zu entziehen, um die Degradation ihrer Komponenten sowie thermisches Durchlaufen zu verhindern. Nachfolgend finden Sie verschiedene Kühlmethoden und wie sie das Design und die Effizienz von Batterien beeinflussen.
Die Methoden zur Kühlung von Batterien fallen in zwei allgemeine Kategorien: passive Kühlung und aktive Kühlung.
Passive Kühlmethoden nutzen natürliche Wärmeableitung wie Abstrahlung und Leitung, um der Batterie Wärme zu entziehen. Das kann Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit umfassen. Dazu gehören aber auch Designentscheidungen wie Batteriegehäuse oder Strukturen, die den Luftstrom zwischen den Zellen zur Wärmeableitung erleichtern.
Passiv gekühlte Batterien sind überall zu finden. Beispiele hierfür sind Mobiltelefone, Laptops, Bluetooth-Lautsprecher und die meisten batteriebetriebenen Geräte der Unterhaltungselektronik.
Passive Kühlmethoden sind einfacher, wartungsärmer und kostengünstiger. Allerdings sind sie oft weniger effizient bei der Wärmeabfuhr und ihre Effizienz kann je nach Umgebungsbedingungen variieren.
Aktive Kühlmethoden verwenden externe Geräte, um die Temperatur der Batterie aktiv zu regulieren und abzuleiten. Sie nutzen Komponenten wie Ventilatoren, Pumpen oder Kompressoren, um Luft oder Flüssigkeit durch das Batteriesystem zu bewegen. Aktive Kühlsysteme verwenden auch Sensoren und andere Hilfsmittel, um die Temperaturen zu überwachen und die Kühlung anzupassen. Diese Komponenten müssen mit Strom versorgt werden und tragen daher zum Energieverbrauch der Batterie bei.
Aktive Kühlmethoden bieten eine höhere Präzision und Kontrolle, sodass es einfacher ist, die Batterie innerhalb eines bestimmten Bereichs zu halten. Außerdem führen sie die Wärme effizienter ab. Sie sind jedoch komplexer, verbrauchen mehr Energie und erfordern zusätzliche Wartung.
Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung sind die gängigsten Kühlmethoden, die derzeit in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Bei beiden handelt es sich um aktive Kühlmethoden.
Luftkühlungssysteme verwenden Ventilatoren oder Gebläse, um einen Luftstrom zu erzeugen, der den Batteriekomponenten Wärme entzieht. Luftkühlung ist einfach, relativ kostengünstig und benötigt nicht viel Energie. Luft ist jedoch im Vergleich zu Alternativen kein effizienter Wärmeleiter. Aus diesem Grund sind viele Hersteller von EV-Batterien dazu übergegangen, bei höherwertigen Elektrofahrzeugen auf Luftkühlung zu verzichten.
Flüssigkühlsysteme verwenden Pumpen oder andere mechanische Komponenten, um ein flüssiges Kühlmittel durch Kanäle zirkulieren zu lassen, die in direktem Kontakt mit den Batteriezellen oder -modulen stehen, um Wärme zu absorbieren. Die Flüssigkeit wird dann zu Komponenten wie Wärmetauschern, Kühlkörpern oder Lüftern geleitet, um die Wärme abzugeben. Beispiele für flüssige Kühlmittel sind Wasser, Glykol, Öl, Aceton und Kältemittel.
Es gibt verschiedene Ansätze bei der Flüssigkeitskühlung. Einige Hersteller fügen Kühlkreisläufe zwischen den Zellen hinzu (Wellenplatten). Andere fügen Kühlplatten unter den Zellen hinzu (Bodenplatten). Diese Platten sind dafür da, Wärme von den Zellen wegzuleiten.
Flüssigkeitskühlung ist komplexer und aufwändiger als Luftkühlung, aber sie ist effizienter und damit die bessere Wahl für anspruchsvolle Wärmemanagement-Anwendungen. Das liegt daran, dass Flüssigkeiten aufgrund ihrer höheren Dichte eine bessere Wärmekapazität und -leitfähigkeit haben als Luft.
| Wärmekapazität | Wärmeleitfähigkeit |
|---|---|
Aufgrund ihrer höheren Dichte haben Flüssigkeiten eine größere Masse als Luft. Mehr Masse bedeutet mehr Moleküle, und mehr Moleküle bedeuten mehr Möglichkeiten, Energie zu speichern. Daher können Flüssigkeiten bei gleichem Volumen mehr Wärme aufnehmen. Wasser kann etwa 4,18 Joule Energie pro Gramm aufnehmen, bevor seine Temperatur um 1 °C ansteigt, während Luft etwa 1,005 Joule Energie pro Gramm aufnehmen kann, bevor ihre Temperatur um 1 °C ansteigt (Quelle). | Aufgrund ihrer höheren Dichte haben Flüssigkeiten mehr Moleküle, die mit der heißen Oberfläche in Berührung kommen, sodass sie mehr Wärme auf einmal aufnehmen können. Das bedeutet, dass Wärme in Flüssigkeiten schneller absorbiert wird als in Luft. Bezogen auf das Volumen entspricht 1 g Wasser 1 ml Wasser, während 1 g Luft ungefähr 1 l Luft entspricht. Dies zeigt, wie viel besseren Kontakt mit der Oberfläche und damit bessere Wärmeleitfähigkeit Wasser hat. |
Luftkühlung und Flüssigkeitskühlung sind derzeit die gebräuchlichsten Kühlmethoden in Elektrofahrzeugen, aber es werden auch neue Technologien entwickelt. Sie sind zwar noch nicht marktreif, haben aber immenses Potenzial, das Wärmemanagement von Batterien zu verbessern.
| Phasenwechselmaterialien (PCMs) sind Materialien, die Wärme durch Phasenwechsel handhaben: Sie gehen von fest zu flüssig oder von flüssig zu dampfförmig über, wenn sie Wärme aufnehmen, und kehren in ihren ursprünglichen Zustand zurück, wenn sie diese Wärme abgeben. Wenn die Batterie eine kritische Temperatur erreicht, durchlaufen diese Materialien einen Phasenübergang und geben die Wärme sehr effizient ab. |  |
Bei der Auswahl eines Phasenwechselmaterials ist die Schmelz- und Erstarrungstemperatur eine der wichtigsten Überlegungen. Diese Materialien werden auch auf der Grundlage ihrer Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Latentwärme (d. h. der Menge an Wärme, die bei Phasenumwandlungen absorbiert bzw. freigesetzt wird), ihrer Fähigkeit zu wiederholten Phasenumwandlungen ohne Degradation und ihrer Kompatibilität mit den Komponenten des Akkupacks ausgewählt. Materialien wie expandierter Graphit und Metallschaum haben ein großes Potenzial zur Verbesserung der Wärmeableitung in Batterien.
Phasenwechselmaterialien werden für passive Kühlung eingesetzt. Sie sind ein integraler Bestandteil der Batteriekonstruktion und benötigen keine zusätzlichen Komponenten wie Lüfter oder Pumpen, die Strom verbrauchen.
Die Immersionskühlung ist eine Methode, bei der Batteriezellen und -module in eine nicht leitende Flüssigkeit (Dielektrikum) getaucht werden, um Wärme abzuleiten. Immersionskühlung ist sehr effizient und bietet eine gleichmäßigere Temperaturverteilung zwischen den Batteriezellen, was zu einer besseren Leistung und Lebensdauer der Batterie beiträgt. Es verhindert auch Feuchtigkeit in der Batterie – eine Fehlerquelle bei aktuellen EV-Batterien.
Vor der Einführung der Immersionskühlung müssen die Batteriehersteller einige Herausforderungen meistern. Diese Methode erfordert die Entwicklung einer Batterie, die absolut flüssigkeitsdicht ist. Dielektrische Flüssigkeiten erhöhen auch das Gewicht der Batterie, ein wichtiger Aspekt bei der Optimierung der Batteriereichweite.
Eine weitere Schwierigkeit ist die Auswahl der richtigen Flüssigkeit. Gemäß der Forschung zu dielektrischen Flüssigkeiten hängt die Wahl einer Flüssigkeit von ihrer Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, chemischen Stabilität, Viskosität und Kompatibilität mit den Batteriematerialien ab, mit denen sie in Kontakt kommt. Beispiele für dielektrische Flüssigkeiten, die für das Wärmemanagement von Batterien getestet werden, sind Mineralöle, Esteröle und Transformatorenöle.
Wärmeleitmedien (TIMs) sind Materialien, die zwischen zwei Oberflächen eingesetzt werden, um die Wärmeübertragung zwischen ihnen zu verbessern. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der effizienten Übertragung von Wärme zwischen Batteriezellen und Kühlelementen wie Kühlkörpern, Platten oder Kühlflüssigkeiten. Beispiele für TIMs sind Pasten, Klebstoffe, Lückenfüller, Pads und Phasenwechselmaterialien.
Vor dem Auftragen eines Wärmeleitmediums zwischen zwei Oberflächen muss die Oberfläche oft vorbereitet werden, um eine gute Bonding-Qualität zu gewährleisten. Die Laseroberflächenvorbereitung ist eine Technologie zur Entfernung von Verunreinigungen, zur Erzeugung der richtigen Oberflächenrauheit und zur Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche. Sie schafft die optimalen Bedingungen, um eine starke Verbindung zwischen dem Wärmeleitmedien und den Batteriekomponenten zu gewährleisten.
Zu den aktuellen Entwicklungen bei Batterien für Elektrofahrzeuge gehört die Notwendigkeit eines effizienteren Wärmemanagements. Supercharging erzeugt mehr Wärme und die zunehmende Energiedichte der Batterien bedeutet, dass sie mehr Wärme auf kleinerem Raum entwickeln. Dies zeigt, wie wichtig die Entwicklungen im Wärmemanagement für die Zukunft von Elektrofahrzeugen sind.
Technical expert and consultant in batteries and electrical propulsion systems, Stéphane holds a Physics degree with specializations in Photonics, Optics, Electronics, Robotics, and Acoustics. Invested in the EV transformation, he has designed industrial battery packs for electrical bikes. In his free time, he runs a YouTube channel on everything electrical.
Lithium-Ionen-Batterien stellen seit Jahren eine zuverlässige Stromversorgung für eine Vielzahl von Geräten und Elektrofahrzeugen dar. Doch nun kündigt sich mit den Festkörperbatterien eine neue Generation von Stromspeichern an, die das Potenzial hat, die Branche zu revolutionieren. Es stellt sich jedoch die Frage, inwiefern diese Behauptung zutrifft.
Die Batterie ist das teuerste Teil in einem Elektroauto, daher ist ein zuverlässiger Herstellungsprozess wichtig, um kostspielige Defekte zu vermeiden. Zudem ist die Nachfrage nach Batterien für Elektrofahrzeuge hoch, was die Hersteller unter Druck setzt, die Produktion zu maximieren, ohne Kompromisse bei der Qualität einzugehen. Daher ist Roboterautomatisierung fast überall bei der Herstellung von Batterien zu finden.
Der Rotor überträgt die Energie aus den Batterien auf die Räder eines Elektrofahrzeugs. Die Herstellung von Rotoren mit den neuesten Technologien verbessert die Effizienz des Motors in vielerlei Hinsicht.
