Richtung für die Modernisierung der Thermomanagementtechnologie von Fahrzeugen mit neuen Antrieben

Batteriethermisches Management

Während des Betriebs hat die Temperatur einen großen Einfluss auf die Leistung der Batterie. Ist die Temperatur zu niedrig, kann dies zu einem starken Abfall der Batteriekapazität und -leistung bis hin zum Kurzschluss führen. Die Bedeutung des thermischen Batteriemanagements nimmt immer weiter zu, da zu hohe Temperaturen zur Zersetzung, Korrosion, Entzündung oder sogar Explosion der Batterie führen können. Die Betriebstemperatur der Antriebsbatterie ist ein Schlüsselfaktor für Leistung, Sicherheit und Lebensdauer. Leistungstechnisch gesehen führt eine zu niedrige Temperatur zu einer Verringerung der Batterieaktivität, was wiederum die Lade- und Entladeleistung und die Batteriekapazität stark beeinträchtigt. Ein Vergleich ergab, dass die Entladekapazität der Batterie bei einer Temperatur von 10 °C 93 % des Wertes bei normaler Temperatur betrug; bei einer Temperatur von -20 °C sank sie jedoch auf nur noch 43 %.

Untersuchungen von Li Junqiu und anderen zeigen, dass aus Sicherheitsgründen bei zu hoher Temperatur die Nebenreaktionen der Batterie beschleunigt werden. Bei Temperaturen um 60 °C zersetzen sich die internen Materialien/aktiven Substanzen der Batterie, was zu einem „thermischen Durchgehen“ führt. Dabei steigt die Temperatur sprunghaft auf bis zu 400–1000 °C an und kann Brände und Explosionen verursachen. Ist die Temperatur hingegen zu niedrig, muss die Batterie mit einem niedrigeren Ladestrom geladen werden, da es sonst zur Lithiumzersetzung und einem internen Kurzschluss mit Brandgefahr kommt.

Aus Sicht der Batterielebensdauer ist der Einfluss der Temperatur nicht zu vernachlässigen. Lithiumablagerungen in Batterien, die anfällig für das Laden bei niedrigen Temperaturen sind, führen zu einem rapiden Abfall der Zyklenlebensdauer um ein Vielfaches. Hohe Temperaturen beeinträchtigen sowohl die kalendarische Lebensdauer als auch die Zyklenlebensdauer erheblich. Untersuchungen ergaben, dass die kalendarische Lebensdauer einer Batterie mit 80 % Restkapazität bei einer Temperatur von 23 °C etwa 6238 Tage beträgt. Steigt die Temperatur auf 35 °C, sinkt sie auf etwa 1790 Tage und erreicht 55 °C, beträgt die kalendarische Lebensdauer nur noch 272 Tage.

Aktuell ist das thermische Management von Batterien aufgrund von Kosten- und technischen Beschränkungen (BTMSDie Verwendung leitfähiger Medien ist nicht einheitlich und lässt sich in drei Haupttechnologien unterteilen: Luftkühlung (aktiv und passiv), Flüssigkeitskühlung und Phasenwechselmaterialien (PCM). Luftkühlung ist relativ einfach, birgt kein Leckagerisiko und ist wirtschaftlich. Sie eignet sich für die Anfangsphase der Entwicklung von LFP-Batterien und für Kleinwagen. Flüssigkeitskühlung ist effektiver als Luftkühlung, jedoch mit höheren Kosten verbunden. Im Vergleich zu Luft zeichnet sich Flüssigkeitskühlung durch eine hohe spezifische Wärmekapazität und einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten aus, wodurch die geringere Kühlleistung der Luftkühlung effektiv kompensiert wird. Sie ist derzeit der wichtigste Optimierungsansatz für Pkw. Zhang Fubin wies in seiner Forschung darauf hin, dass der Vorteil der Flüssigkeitskühlung in der schnellen Wärmeableitung liegt, die eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Akku gewährleistet und sich für Akkus mit hoher Wärmeproduktion eignet. Zu den Nachteilen zählen die hohen Kosten, die strengen Anforderungen an die Verpackung, das Risiko von Flüssigkeitsleckagen und die komplexe Struktur. Phasenwechselmaterialien bieten Vorteile hinsichtlich Wärmeaustauscheffizienz und Kosten sowie geringe Wartungskosten. Die Technologie befindet sich derzeit noch im Laborstadium. Die Technologie des Wärmemanagements mittels Phasenwechselmaterialien ist noch nicht vollständig ausgereift und stellt die vielversprechendste Entwicklungsrichtung für das Wärmemanagement von Batterien in der Zukunft dar.

Insgesamt ist die Flüssigkeitskühlung derzeit die gängigste Technologie, hauptsächlich aus folgenden Gründen:

(1) Einerseits weisen die derzeit gängigen ternären Hoch-Nickel-Batterien eine geringere thermische Stabilität als Lithium-Eisenphosphat-Batterien auf, eine niedrigere thermische Durchgehtemperatur (Zersetzungstemperatur: 750 °C bei Lithium-Eisenphosphat, 300 °C bei ternären Lithiumbatterien) und eine höhere Wärmeproduktion. Andererseits ermöglichen neue Anwendungstechnologien für Lithium-Eisenphosphat, wie beispielsweise die Blade-Batterie von BYD und die CTP-Technologie von Ningde Era, den Verzicht auf Module, eine verbesserte Raumausnutzung und Energiedichte sowie die Weiterentwicklung des Batterie-Wärmemanagements von luftgekühlten zu flüssigkeitsgekühlten Technologien.

(2) Aufgrund der geplanten Subventionsreduzierung und der Reichweitensorgen der Verbraucher steigt die Reichweite von Elektrofahrzeugen kontinuierlich an, und die Anforderungen an die Energiedichte der Batterien nehmen stetig zu. Dadurch erhöht sich die Nachfrage nach Flüssigkeitskühltechnologien mit höherer Wärmeübertragungseffizienz.

(3) Die Modelle entwickeln sich in Richtung Mittelklasse- bis Oberklassemodelle mit ausreichendem Kostenbudget, dem Streben nach Komfort, geringer Fehlertoleranz der Komponenten und hoher Leistung, wobei die Flüssigkeitskühlungslösung den Anforderungen besser entspricht.

Unabhängig davon, ob es sich um ein herkömmliches Auto oder ein Fahrzeug mit alternativen Antrieben handelt, steigt der Komfortanspruch der Verbraucher stetig, und die Technologie für das Temperaturmanagement im Cockpit gewinnt zunehmend an Bedeutung. Im Bereich der Kühlmethoden werden elektrische Kompressoren anstelle herkömmlicher Kompressoren eingesetzt, und Batterien sind üblicherweise mit den Klimaanlagen verbunden. Herkömmliche Fahrzeuge verwenden hauptsächlich Taumelscheibenkompressoren, während Fahrzeuge mit alternativen Antrieben vorwiegend Wirbelkompressoren nutzen. Diese Methode zeichnet sich durch hohe Effizienz, geringes Gewicht, niedrige Geräuschentwicklung und eine hohe Kompatibilität mit elektrischer Antriebsenergie aus. Darüber hinaus ist die Konstruktion einfach, der Betrieb stabil und der volumetrische Wirkungsgrad etwa 60 % höher als bei Taumelscheibenkompressoren. Im Bereich der Heizmethoden kommt die PTC-Heizung zum Einsatz.PTC-Lufterhitzer/PTC-Kühlmittelerhitzer) wird benötigt, und Elektrofahrzeugen fehlen kostenlose Wärmequellen (wie z. B. Kühlmittel für Verbrennungsmotoren).