Eine der Schlüsseltechnologien für Elektrofahrzeuge sind Antriebsbatterien. Die Qualität der Batterien bestimmt einerseits die Kosten von Elektrofahrzeugen und andererseits deren Reichweite. Sie ist ein entscheidender Faktor für Akzeptanz und schnelle Verbreitung.
Nach den Nutzungsmerkmalen, Anforderungen und Anwendungsgebieten von Antriebsbatterien lassen sich die Forschungs- und Entwicklungstypen von Antriebsbatterien im In- und Ausland grob in folgende Kategorien einteilen: Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, Brennstoffzellen usw., wobei die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien die größte Aufmerksamkeit genießt.
Wärmeentwicklungsverhalten von Leistungsbatterien
Die Wärmequelle, die Wärmeerzeugungsrate, die Wärmekapazität der Batterie und weitere Parameter des Leistungsbatteriemoduls hängen eng mit den Eigenschaften der Batterie zusammen. Die von der Batterie abgegebene Wärme wird durch ihre chemischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften, insbesondere durch die Art der elektrochemischen Reaktion, bestimmt. Die bei der Batteriereaktion erzeugte Wärmeenergie wird durch die Reaktionswärme Qr ausgedrückt. Die elektrochemische Polarisation führt zu einer Abweichung der tatsächlichen Batteriespannung von der Gleichgewichtsspannung, und der durch die Polarisation verursachte Energieverlust wird durch Qp ausgedrückt. Neben der gemäß der Reaktionsgleichung ablaufenden Batteriereaktion treten auch Nebenreaktionen auf. Typische Nebenreaktionen sind die Elektrolytzersetzung und die Selbstentladung der Batterie. Die dabei entstehende Nebenreaktionswärme ist Qs. Da jede Batterie zwangsläufig einen Widerstand aufweist, entsteht beim Stromfluss zusätzlich Joulesche Wärme Qj. Die Gesamtwärme einer Batterie ergibt sich somit aus der Summe der folgenden Wärmeanteile: Qt = Qr + Qp + Qs + Qj.
Je nach Lade- (Entlade-)Vorgang variieren die Hauptfaktoren für die Wärmeentwicklung der Batterie. Bei normaler Ladung dominiert beispielsweise die Widerstandswärme Qr. Im späteren Ladestadium treten aufgrund der Elektrolytzersetzung Nebenreaktionen auf (Nebenreaktionswärme: Qs). Bei nahezu vollständiger und überladener Batterie dominiert die Elektrolytzersetzung, wodurch Qs den größten Anteil der Wärme erzeugt. Die Joulesche Wärme Qj hängt von Stromstärke und Widerstand ab. Üblicherweise wird mit konstantem Strom geladen, wodurch Qj einen festen Wert annimmt. Beim Anfahren und Beschleunigen ist die Stromstärke jedoch relativ hoch. Bei Hybridfahrzeugen entspricht dies Strömen im Bereich von mehreren zehn bis mehreren hundert Ampere. In diesem Fall ist die Joulesche Wärme Qj sehr groß und stellt die Hauptursache für die Wärmeabgabe der Batterie dar.
Aus der Perspektive der Steuerbarkeit des Wärmemanagements sind Wärmemanagementsysteme (HVH) lassen sich in zwei Typen unterteilen: aktive und passive. Aus Sicht des Wärmeübertragungsmediums lassen sich Wärmemanagementsysteme in folgende Kategorien einteilen: luftgekühlte (PTC-Lufterhitzer), flüssigkeitsgekühlt(PTC-Kühlmittelheizung) und thermischer Phasenwechselspeicher.
Für die Wärmeübertragung mit Kühlmittel (PTC-Kühlmittelheizung) als Medium ist eine Wärmeübertragungsverbindung zwischen dem Modul und dem flüssigen Medium, beispielsweise einem Wassermantel, erforderlich, um indirekte Erwärmung und Kühlung durch Konvektion und Wärmeleitung zu ermöglichen. Als Wärmeübertragungsmedium können Wasser, Ethylenglykol oder auch Kältemittel verwendet werden. Alternativ ist eine direkte Wärmeübertragung durch Eintauchen des Polstücks in das Dielektrikum möglich; hierbei sind jedoch Isolationsmaßnahmen zum Schutz vor Kurzschlüssen unerlässlich.
Die passive Kühlmittelkühlung nutzt im Allgemeinen den Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft und führt anschließend Kühlkörper in die Batterie für einen sekundären Wärmeaustausch ein. Die aktive Kühlung hingegen verwendet Wärmetauscher mit Motorkühlmittel oder PTC-Elektroheizungen/Thermoölheizungen zur primären Kühlung. Heizung und primäre Kühlung erfolgen mit Kältemittel aus der Fahrgastzelle/Klimaanlage.
Bei Wärmemanagementsystemen, die Luft und Flüssigkeit als Medium nutzen, ist die Struktur aufgrund des Bedarfs an Lüftern, Wasserpumpen, Wärmetauschern, Heizungen, Rohrleitungen und anderem Zubehör zu groß und komplex. Zudem verbrauchen sie Batterieenergie und reduzieren die Batterieleistung und Energiedichte.
Das wassergekühlte Batteriekühlsystem nutzt ein Kühlmittel (50 % Wasser/50 % Ethylenglykol), um die Wärme der Batterie über den Batteriekühler an das Kältemittelsystem der Klimaanlage und anschließend über den Kondensator an die Umgebung abzuführen. Die Temperatur des einströmenden Wassers wird durch die Batterie gesenkt. Nach dem Wärmeaustausch kann die Batterie leicht eine niedrigere Temperatur erreichen, sodass der optimale Betriebstemperaturbereich der Batterie eingestellt werden kann. Das Systemprinzip ist in der Abbildung dargestellt. Zu den Hauptkomponenten des Kältemittelsystems gehören: Kondensator, elektrischer Kompressor, Verdampfer, Expansionsventil mit Absperrventil, Batteriekühler (mit Expansionsventil und Absperrventil) und Klimaanlagenleitungen. Der Kühlwasserkreislauf umfasst: elektrische Wasserpumpe, Batterie (einschließlich Kühlplatten), Batteriekühler, Wasserleitungen, Ausdehnungsgefäße und weiteres Zubehör.
Veröffentlichungsdatum: 27. April 2023
