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.
Hinsichtlich der Steuerbarkeit des Wärmemanagements lassen sich Wärmemanagementsysteme in zwei Typen unterteilen: aktive und passive. Bezüglich des Wärmeübertragungsmediums können Wärmemanagementsysteme in luftgekühlte, flüssigkeitsgekühlte und Phasenwechsel-Wärmespeicher unterteilt werden.
Wärmemanagement mit Luft als Wärmeübertragungsmedium
Das Wärmeübertragungsmedium hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung und die Kosten des Wärmemanagementsystems. Bei der Verwendung von Luft als Wärmeübertragungsmedium wird die Luft direkt durch das Batteriemodul geleitet, um die Wärmeabfuhr zu gewährleisten. In der Regel sind Lüfter, Ein- und Auslassöffnungen sowie weitere Komponenten erforderlich.
Je nach Art der Luftansaugung lassen sich im Allgemeinen folgende Formen unterscheiden:
1 Passive Kühlung mit Außenluftzufuhr
2. Passive Kühlung/Heizung für die Belüftung des Fahrgastraums
3. Aktive Kühlung/Heizung der Außenluft oder der Luft im Fahrgastraum
Das passive System ist relativ einfach aufgebaut und nutzt die vorhandene Umgebung direkt. Muss die Batterie beispielsweise im Winter erwärmt werden, kann die warme Luft im Fahrgastraum angesaugt werden. Ist die Batterietemperatur während der Fahrt zu hoch und die Kühlwirkung der Luft im Fahrgastraum unzureichend, kann kalte Außenluft zur Kühlung angesaugt werden.
Für das aktive System ist ein separates System erforderlich, das Heiz- oder Kühlfunktionen bereitstellt und unabhängig vom Batterieladestand gesteuert wird. Dies erhöht jedoch den Energieverbrauch und die Kosten des Fahrzeugs. Die Wahl des Systems hängt hauptsächlich von den Nutzungsanforderungen der Batterie ab.
Wärmemanagement mit Flüssigkeit als Wärmeträgermedium
Für die Wärmeübertragung mit Flüssigkeiten als Medium ist eine Wärmeleitung zwischen Modul und Medium erforderlich, beispielsweise durch einen Wassermantel, um indirekte Erwärmung und Kühlung mittels Konvektion und Wärmeleitung zu ermöglichen. Als Wärmeträgermedium 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 Flüssigkeitskühlung nutzt im Allgemeinen den Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft und führt anschließend Kühlkörper in die Batterie ein, um einen sekundären Wärmeaustausch zu erzielen. Die aktive Kühlung hingegen verwendet Wärmetauscher zwischen Motorkühlmittel und Kühlflüssigkeit oder elektrische Heizung/Thermoölheizung zur primären Kühlung. Heizung und primäre Kühlung erfolgen mit der Fahrgastraumluft/Klimaanlage als Kältemittel.
Das Wärmemanagementsystem mit Luft und Flüssigkeit als Medium benötigt Ventilatoren, Wasserpumpen, Wärmetauscher und Heizgeräte (PTC-Lufterhitzer), Rohrleitungen und anderes Zubehör, um die Struktur zu groß und komplex zu machen, und außerdem Batterieenergie verbraucht, werden die Leistungsdichte und die Energiedichte der Batterie verringert.
(PTC-KühlmittelHeizungDas wassergekühlte Batteriekühlsystem nutzt ein Kühlmittel (50 % Wasser/50 % Ethylenglykol), um Wärme von der Batterie über den Batteriekühler an das Kältemittelsystem der Klimaanlage und anschließend über den Kondensator an die Umgebung abzuführen. Die Temperatur des zugeführten Wassers sinkt nach dem Wärmeaustausch durch den Batteriekühler schnell ab, sodass die Batterie im optimalen Betriebstemperaturbereich arbeiten 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) sowie Klimaanlagenleitungen. Der Kühlwasserkreislauf umfasst:elektrische Wasserpumpe, Batterie (einschließlich Kühlplatten), Batteriekühler, Wasserleitungen, Ausdehnungsgefäße und weiteres Zubehör.
Veröffentlichungsdatum: 13. Juli 2023
