1. Eigenschaften von Lithiumbatterien für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben
Lithiumbatterien zeichnen sich vor allem durch geringe Selbstentladung, hohe Energiedichte, lange Zyklenlebensdauer und hohe Betriebseffizienz aus. Ihr Einsatz als Hauptenergiequelle für neue Energiesysteme bedeutet den Gewinn einer zuverlässigen Energiequelle. Daher ist der Lithium-Akkumulator, insbesondere die Lithiumzelle, zum wichtigsten Kernbestandteil und zentralen Energielieferanten von Elektrofahrzeugen geworden. Lithiumbatterien benötigen für ihren Betrieb bestimmte Umgebungsbedingungen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die optimale Betriebstemperatur zwischen 20 °C und 40 °C liegt. Überschreitet die Temperatur diesen Grenzwert, sinken Leistung und Lebensdauer der Lithiumbatterie erheblich. Bei zu niedriger Temperatur hingegen weichen Entladekapazität und Entladespannung von den Sollwerten ab, was zu einem starken Abfall führt.
Bei zu hoher Umgebungstemperatur steigt die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens der Lithiumbatterie erheblich. Die interne Wärme konzentriert sich an einer bestimmten Stelle und führt zu gravierenden Problemen durch Wärmestau. Kann diese Wärme nicht ungehindert abgeführt werden, besteht bei längerer Betriebsdauer der Lithiumbatterie Explosionsgefahr. Diese Sicherheitsgefahr stellt eine erhebliche Bedrohung für die persönliche Sicherheit dar. Daher müssen Lithiumbatterien im Betrieb mit elektromagnetischen Kühlvorrichtungen ausgestattet sein, um die Sicherheit der gesamten Anlage zu verbessern. Forscher müssen daher bei der Temperaturkontrolle von Lithiumbatterien externe Geräte zur Wärmeabfuhr gezielt einsetzen und die optimale Betriebstemperatur der Batterien gewährleisten. Erfüllt die Temperaturkontrolle die entsprechenden Standards, ist die Fahrsicherheit von Elektrofahrzeugen kaum gefährdet.
2. Wärmeerzeugungsmechanismus der Lithiumbatterie für Elektrofahrzeuge
Obwohl diese Batterien als Stromversorgungsgeräte eingesetzt werden können, treten die Unterschiede im praktischen Einsatz deutlicher hervor. Einige Batterien weisen gravierende Nachteile auf, weshalb Hersteller von Elektrofahrzeugen sorgfältig auswählen sollten. Beispielsweise liefert die Blei-Säure-Batterie zwar ausreichend Energie für den Mittelkreis, verursacht aber im Betrieb erhebliche Umweltschäden, die später nicht mehr behoben werden können. Aus diesem Grund wurden Blei-Säure-Batterien in Deutschland verboten. Nickel-Metallhydrid-Batterien haben sich im Laufe ihrer Entwicklung gut etabliert, die Technologie ist ausgereift und ihr Anwendungsbereich hat sich erweitert. Im Vergleich zu Lithium-Batterien sind ihre Nachteile jedoch etwas deutlicher. So ist es für herkömmliche Batteriehersteller schwierig, die Produktionskosten von Nickel-Metallhydrid-Batterien zu kontrollieren. Daher sind Nickel-Metallhydrid-Batterien auf dem Markt weiterhin teuer. Kostenbewusste Hersteller von Elektrofahrzeugen werden sie daher kaum als Fahrzeugkomponenten in Betracht ziehen. Noch wichtiger ist jedoch, dass Ni-MH-Akkus deutlich empfindlicher auf Umgebungstemperaturen reagieren als Lithium-Akkus und aufgrund hoher Temperaturen leichter in Brand geraten. Nach zahlreichen Vergleichen haben sich Lithium-Akkus als überlegen erwiesen und werden heute in Elektrofahrzeugen weit verbreitet eingesetzt.
Lithiumbatterien eignen sich zur Stromversorgung von Elektrofahrzeugen, da ihre positiven und negativen Elektroden aktive Materialien enthalten. Durch das kontinuierliche Einlagern und Entnehmen dieser Materialien wird eine große Menge elektrischer Energie gewonnen. Diese wird dann gemäß dem Prinzip der Energieumwandlung in kinetische Energie umgewandelt, wodurch den Elektrofahrzeugen genügend Leistung zugeführt wird und sie mitfahren können. Gleichzeitig findet in der Lithiumbatteriezelle während der chemischen Reaktion eine Wärmeaufnahme und -abgabe statt, die zur Energieumwandlung beiträgt. Darüber hinaus sind die Lithiumatome nicht statisch, sondern bewegen sich kontinuierlich zwischen Elektrolyt und Membran, was zu einem inneren Polarisationswiderstand führt.
Die Wärme wird nun auch ordnungsgemäß abgeführt. Allerdings ist die Temperatur um die Lithiumbatterie von Elektrofahrzeugen zu hoch, was leicht zur Zersetzung der positiven und negativen Separatoren führen kann. Hinzu kommt, dass die Lithiumbatterie aus mehreren Akkupacks besteht. Die von allen Akkupacks erzeugte Wärme übersteigt die einer einzelnen Batterie bei Weitem. Überschreitet die Temperatur einen bestimmten Wert, besteht extreme Explosionsgefahr.
3. Schlüsseltechnologien des Batterie-Wärmemanagementsystems
Dem Batteriemanagementsystem von Elektrofahrzeugen wurde im In- und Ausland große Aufmerksamkeit gewidmet, umfangreiche Forschungsarbeiten wurden initiiert und zahlreiche Ergebnisse erzielt. Dieser Artikel konzentriert sich auf die präzise Bewertung der verbleibenden Batterieleistung, das thermische Managementsystem der Elektrofahrzeugbatterie, das Batterieausgleichsmanagement und die dabei angewandten Schlüsseltechnologien.Wärmemanagementsystem.
3.1 Methode zur Bestimmung der Restleistung des Batteriethermomanagementsystems
Forscher haben viel Energie und Mühe in die SOC-Bewertung investiert und dabei hauptsächlich wissenschaftliche Datenalgorithmen wie die Amperestunden-Integralmethode, die lineare Modellmethode, neuronale Netze und Kalman-Filter eingesetzt, um zahlreiche Simulationsexperimente durchzuführen. Bei der Anwendung dieser Methoden treten jedoch häufig Berechnungsfehler auf. Werden diese Fehler nicht rechtzeitig korrigiert, vergrößert sich die Diskrepanz zwischen den Berechnungsergebnissen. Um diesem Mangel entgegenzuwirken, kombinieren Forscher die Anshi-Bewertungsmethode üblicherweise mit anderen Methoden zur gegenseitigen Überprüfung, um möglichst genaue Ergebnisse zu erzielen. Mit präzisen Daten können Forscher den Entladestrom der Batterie genau abschätzen.
3.2 Ausgewogenes Management des Batterie-Wärmemanagementsystems
Das Batteriemanagementsystem dient hauptsächlich dazu, Spannung und Leistung der einzelnen Batteriekomponenten aufeinander abzustimmen. Werden unterschiedliche Batterien in verschiedenen Bereichen eingesetzt, können Spannung und Leistung voneinander abweichen. In diesem Fall muss das Batteriemanagement diese Abweichungen beseitigen. Aktuell ist dies die am weitesten verbreitete Technik für das Batteriemanagement.
Man unterscheidet im Wesentlichen zwei Arten: passive und aktive Entzerrung. Hinsichtlich der Anwendung unterscheiden sich die Implementierungsprinzipien dieser beiden Entzerrungsmethoden deutlich.
(1) Passiver Ausgleich. Das Prinzip des passiven Ausgleichs nutzt die Proportionalität zwischen Batterieleistung und -spannung. Basierend auf den Spannungsdaten eines einzelnen Batteriestrangs erfolgt die Umwandlung der beiden Größen üblicherweise durch Widerstandsentladung: Die Energie einer Hochleistungsbatterie erzeugt durch Widerstandserwärmung Wärme, die anschließend über die Luft abgeführt wird, um den Energieverlust auszugleichen. Diese Ausgleichsmethode verbessert jedoch nicht die Batterieeffizienz. Zudem kann eine ungleichmäßige Wärmeabfuhr aufgrund von Überhitzung zu Problemen beim thermischen Batteriemanagement führen.
(2) Aktiver Ausgleich. Der aktive Ausgleich ist eine Weiterentwicklung des passiven Ausgleichs und behebt dessen Nachteile. Prinzipiell unterscheidet er sich vom passiven Ausgleich und verfolgt ein völlig neues Konzept: Die elektrische Energie der Batterie wird nicht in Wärmeenergie umgewandelt und abgeführt, sondern von der Batterie mit hoher Energie auf die mit niedrigerer Energie übertragen. Diese Art der Übertragung verstößt nicht gegen den Energieerhaltungssatz und zeichnet sich durch geringe Verluste, hohe Nutzungseffizienz und schnelle Ergebnisse aus. Allerdings ist die Struktur des Ausgleichsmanagements relativ komplex. Wird der Ausgleichspunkt nicht korrekt gesteuert, kann dies aufgrund der zu großen Dimensionierung zu irreversiblen Schäden am Akkumulator führen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl der aktive als auch der passive Ausgleich Vor- und Nachteile aufweisen. In spezifischen Anwendungen können Forscher je nach Kapazität und Anzahl der Lithium-Batterie-Stränge die geeignete Methode auswählen. Lithium-Batteriepacks mit niedriger Kapazität und geringer Anzahl eignen sich für ein passives Ausgleichsmanagement, während Lithium-Batteriepacks mit hoher Kapazität und hoher Anzahl an Leistungseinheiten für ein aktives Ausgleichsmanagement geeignet sind.
3.3 Die wichtigsten Technologien, die im Batterie-Wärmemanagementsystem eingesetzt werden
(1) Bestimmung des optimalen Betriebstemperaturbereichs der Batterie. Das Wärmemanagementsystem dient primär der Temperaturregelung im Umfeld der Batterie. Um dessen Wirksamkeit zu gewährleisten, wird daher die von Forschern entwickelte Schlüsseltechnologie hauptsächlich zur Bestimmung der Betriebstemperatur der Batterie eingesetzt. Solange die Batterietemperatur in einem geeigneten Bereich gehalten wird, arbeitet die Lithiumbatterie stets optimal und liefert ausreichend Energie für den Betrieb von Elektrofahrzeugen. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit der Lithiumbatterie in Elektrofahrzeugen dauerhaft sichergestellt.
(2) Berechnung des thermischen Bereichs der Batterie und Temperaturvorhersage. Diese Technologie beinhaltet zahlreiche mathematische Modellberechnungen. Die Wissenschaftler verwenden entsprechende Berechnungsmethoden, um die Temperaturdifferenz im Inneren der Batterie zu ermitteln und diese als Grundlage für die Vorhersage des möglichen thermischen Verhaltens der Batterie zu nutzen.
(3) Auswahl des Wärmeübertragungsmediums. Die überlegene Leistung des Wärmemanagementsystems hängt von der Wahl des Wärmeübertragungsmediums ab. Die meisten der derzeitigen Fahrzeuge mit alternativen Antrieben verwenden Luft/Kühlmittel als Kühlmedium. Diese Kühlmethode ist einfach zu handhaben, kostengünstig in der Herstellung und erfüllt den Zweck der Batteriewärmeabfuhr gut.PTC-Lufterhitzer/PTC-Kühlmittelvorwärmer)
(4) Es wird eine parallele Belüftungs- und Wärmeableitungsstruktur verwendet. Diese Belüftungs- und Wärmeableitungsstruktur zwischen den Lithium-Akkus ermöglicht einen erweiterten Luftstrom, sodass die Luft gleichmäßig zwischen den Akkus verteilt wird und Temperaturunterschiede zwischen den Akkumodulen effektiv ausgeglichen werden.
(5) Auswahl des Lüfter- und Temperaturmesspunkts. In diesem Modul führten die Forscher zahlreiche Experimente durch, um theoretische Berechnungen anzustellen und anschließend mithilfe von Strömungsmechanikmethoden die Leistungsaufnahme des Lüfters zu ermitteln. Im Anschluss daran werden sie mithilfe der Finite-Elemente-Methode den optimalen Temperaturmesspunkt bestimmen, um präzise Batterietemperaturdaten zu erhalten.
Veröffentlichungsdatum: 10. September 2024
