Temperierung von Batterien

Auf den Straßen weltweit finden sich mehr und mehr Fahrzeuge mit elektrischen Antrieben. Wer sich dazu entscheidet, vom Verbrenner auf ein E-Auto umzusteigen, dem soll dieser Wechsel möglichst leicht gemacht werden. Große Reichweiten, schnelles Laden und starke Leistung gehören ebenso dazu wie eine lange Lebensdauer. Damit diese Anforderungen erfolgreich erfüllt werden können, ist es wichtig, auf die richtige Temperierung der Hochvolt-Batterien zu achten. 

Große Diversität
Und das ist gar nicht so einfach. Die große Vielfalt an Antriebskonzepten und der fehlende Batteriezellen-Standard führen zu einer großen Diversität im Hinblick auf die Kühlanforderungen. Ein gelungenes Thermomanagement spielt in der E-Mobilität deshalb eine umso wichtigere Rolle. 

Einflüsse auf die Energiebilanz
Für das Wärmeverhalten von Batterien gilt, was auch der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt: Die Summe aller Energien in einem geschlossenen System ist konstant. Einen Einfluss auf die Energiebilanz von Batterien haben neben der Eigenerwärmung auch die Umgebung und der Energietransport zu einer Wärmesenke. Besonders auf Temperaturdifferenzen zwischen der kältesten und der wärmsten Zelle muss dabei geachtet werden. Denn bereits geringe Unterschiede im Innenwiderstand können je nach Verschaltung und Zelltyp zu unterschiedlichen Stromverteilungen führen. Dies wiederum beeinflusst die nutzungsabhängige, zyklische Alterung der Batteriezellen und damit die Lebensdauer der Batterie.

Arten von Batteriekühlungen
Batterien können auf verschiedene Arten temperiert werden. Je nach Batterietyp kommt eine aktive oder passive Kühlung in Frage. Bei letzterer werden die Zellen lediglich durch Wärmeleitung, Strahlung oder natürliche Konvektion gekühlt. Bei einem reinen Elektrofahrzeug muss im sportlichen Fahrmodus von stationär abzuführenden Kühlungen von sechs bis acht Kilowatt ausgegangen werden. Eine einfache passive Kühlung ist hierfür in der Regel nicht ausreichend. Eine aktive Kühlung setzt hingegen auf erzwungene Konvektion, bei der die anfallende Wärmeenergie über ein Medium an eine Wärmesenke abgegeben wird. Vor allem Lösungen, die mit Kühlmitteln und einem Wärmetauscher arbeiten sind besonders leistungsstark und werden entsprechend häufig für die Temperierung von Hochvolt-Speichern genutzt.

Abwägungen hinsichtlich des Kühlmittels
Bei der Entscheidung für das optimale Kühlmittel müssen zahlreiche Vor- und Nachteile abgewogen werden. Direktgekühlte Systeme bieten aktuell die beste Kühlleistung, benötigen jedoch auch größere Mengen des Kühlmittelns als indirekt gekühlte. Kältemittelgekühlte Systeme können wiederum niedrigere Temperaturen erreichen, die Möglichkeit, die Zellen über das Medium zu heizen, entfällt in diesem Fall jedoch. Hier spielen außerdem Aspekte wie Gewicht, Crashanforderungen, Bauraum und Anpassung an den jeweiligen Zelltyp eine Rolle.

Simultaneous Engineering
Insgesamt gilt es, nicht nur die Batterie, sondern sämtliche Wärmequellen im Fahrzeug zu analysieren. Zu dieser ganzheitlichen Betrachtung zählen auch Komponenten wie die Hochvolt-Schaltbox oder Kabel und Stecker. Hier lohnt es sich, dauerhafte und dynamische Belastungen zu bewerten und vorab zu simulieren. Durch Simultaneous Engineering kann die Effizienz in Fahrzeugprojekten gesteigert werden, da unnötige Änderungsschleifen vermieden werden können.