Als Hauptenergiequelle von Elektrofahrzeugen sind Antriebsbatterien von entscheidender Bedeutung. Im Fahrbetrieb sind sie komplexen und wechselnden Bedingungen ausgesetzt. Um die Reichweite zu maximieren, müssen möglichst viele Batterien auf begrenztem Raum untergebracht werden, wodurch der Platz für den Akku im Fahrzeug stark eingeschränkt ist. Die Batterie erzeugt während des Betriebs viel Wärme, die sich mit der Zeit auf engstem Raum konzentriert. Aufgrund der hohen Zelldichte im Akku ist die Wärmeableitung im mittleren Bereich erschwert, was die Temperaturunterschiede zwischen den Zellen verstärkt. Dies reduziert die Lade- und Entladeeffizienz und beeinträchtigt die Batterieleistung. Im schlimmsten Fall kann es zu einem thermischen Durchgehen kommen, was die Sicherheit und Lebensdauer des Systems gefährdet.
Die Temperatur der Antriebsbatterie hat großen Einfluss auf ihre Leistung, Lebensdauer und Sicherheit. Bei niedrigen Temperaturen steigt der Innenwiderstand von Lithium-Ionen-Akkus, und ihre Kapazität sinkt. Im Extremfall gefriert der Elektrolyt, und der Akku lässt sich nicht mehr entladen. Die Leistung des Batteriesystems bei niedrigen Temperaturen wird dadurch stark beeinträchtigt, was zu Leistungsverlusten und Reichweitenreduzierungen bei Elektrofahrzeugen führt. Beim Laden von Elektrofahrzeugen unter kalten Bedingungen erwärmt das Batteriemanagementsystem (BMS) den Akku üblicherweise zunächst auf eine geeignete Temperatur. Wird dies nicht sachgemäß gehandhabt, kann es zu einer kurzzeitigen Überladung mit internem Kurzschluss kommen, in deren Folge Rauch, Brand oder sogar eine Explosion entstehen können. Die Sicherheitsprobleme beim Laden von Elektrofahrzeugbatterien bei niedrigen Temperaturen schränken die Verbreitung von Elektrofahrzeugen in kalten Regionen erheblich ein.
Das Batterie-Thermomanagement ist eine der wichtigsten Funktionen des Batteriemanagementsystems (BMS). Es dient hauptsächlich dazu, den Akku stets in einem optimalen Temperaturbereich zu halten und so seine bestmögliche Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Das Thermomanagement umfasst im Wesentlichen Kühlung, Heizung und Temperaturausgleich. Kühlung und Heizung werden primär an die möglichen Auswirkungen der Umgebungstemperatur auf den Akku angepasst. Der Temperaturausgleich dient dazu, Temperaturunterschiede innerhalb des Akkus zu reduzieren und einen schnellen Kapazitätsverlust durch Überhitzung einzelner Akkubereiche zu verhindern.
Generell lassen sich die Kühlmethoden für Antriebsbatterien in drei Kategorien einteilen: Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Direktkühlung. Bei der Luftkühlung wird der natürliche Fahrtwind oder die im Fahrgastraum strömende Luft genutzt, um Wärmeaustausch und Kühlung über die Batterieoberfläche zu erzielen. Die Flüssigkeitskühlung verwendet in der Regel eine separate Kühlmittelleitung zur Kühlung der Antriebsbatterie. Aktuell ist diese Methode am weitesten verbreitet. Beispielsweise nutzen Tesla und Volt diese Kühlmethode. Das Direktkühlsystem verzichtet auf die separate Kühlmittelleitung der Antriebsbatterie und kühlt diese direkt mit Kältemittel.
1. Luftkühlsystem:
In den frühen Antriebsbatterien wurden aufgrund ihrer geringen Kapazität und Energiedichte viele Antriebsbatterien durch Luftkühlung gekühlt. Luftkühlung (PTC-Lufterhitzer) wird in zwei Kategorien unterteilt: natürliche Luftkühlung und erzwungene Luftkühlung (mittels Ventilator) und nutzt natürlichen Wind oder kalte Luft in der Fahrerkabine zur Kühlung der Batterie.
Typische Vertreter luftgekühlter Systeme sind der Nissan Leaf, der Kia Soul EV usw. Die 48-V-Batterien von 48-V-Mikrohybridfahrzeugen sind in der Regel im Fahrgastraum untergebracht und werden luftgekühlt. Das Luftkühlsystem ist relativ einfach aufgebaut, die Technologie ausgereift und kostengünstig. Aufgrund der begrenzten Wärmeabfuhr durch die Luft ist der Wärmeaustausch jedoch gering, die Temperaturverteilung im Inneren der Batterie ungleichmäßig und eine präzise Temperaturregelung schwierig. Daher eignet sich das Luftkühlsystem im Allgemeinen nur für Fahrzeuge mit geringer Reichweite und niedrigem Gewicht.
Es ist erwähnenswert, dass bei luftgekühlten Systemen die Konstruktion der Luftkanäle eine entscheidende Rolle für die Kühlwirkung spielt. Luftkanäle werden im Wesentlichen in serielle und parallele Luftkanäle unterteilt. Die serielle Anordnung ist einfach, weist aber einen hohen Widerstand auf; die parallele Anordnung ist komplexer und benötigt mehr Platz, bietet jedoch eine gleichmäßigere Wärmeableitung.
2. Flüssigkeitskühlsystem
Flüssigkeitskühlung bedeutet, dass die Batterie Kühlflüssigkeit zum Wärmeaustausch nutzt (PTC-KühlmittelvorwärmerKühlmittel lassen sich in zwei Typen unterteilen: solche, die direkt mit der Batteriezelle in Kontakt kommen (z. B. Silikonöl, Rizinusöl), und solche, die über Wasserkanäle mit der Batteriezelle in Kontakt treten (z. B. Wasser, Ethylenglykol). Derzeit wird überwiegend eine Mischung aus Wasser und Ethylenglykol verwendet. Flüssigkeitskühlsysteme umfassen in der Regel einen Kältemittelkreislauf, der mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt ist. Die Wärme der Batterie wird über das Kältemittel abgeführt. Zu den Kernkomponenten gehören der Kompressor, der Kältemittelkreislauf und die Kühlflüssigkeit.elektrische WasserpumpeAls Energiequelle der Kälteanlage bestimmt der Kompressor die Wärmeaustauschkapazität des gesamten Systems. Der Kaltverdichter dient dem Wärmeaustausch zwischen Kältemittel und Kühlflüssigkeit, und die Menge des Wärmeaustauschs bestimmt direkt die Temperatur der Kühlflüssigkeit. Die Wasserpumpe bestimmt die Durchflussrate des Kühlmittels in der Leitung. Je höher die Durchflussrate, desto besser die Wärmeübertragungsleistung und umgekehrt.
Veröffentlichungsdatum: 09.08.2024
