Derzeit nimmt die globale Umweltverschmutzung täglich zu. Die Abgasemissionen von Fahrzeugen mit herkömmlichen Kraftstoffen haben die Luftverschmutzung verschärft und die globalen Treibhausgasemissionen erhöht. Energieeinsparung und Emissionsreduzierung sind zu einem zentralen Anliegen der internationalen Gemeinschaft geworden.Heizung/KlimaanlageElektrofahrzeuge haben aufgrund ihrer hohen Effizienz und der sauberen, umweltfreundlichen Stromerzeugung einen relativ hohen Marktanteil. Lithium-Ionen-Batterien sind als Hauptenergiequelle rein elektrischer Fahrzeuge aufgrund ihrer hohen spezifischen Energiedichte und langen Lebensdauer weit verbreitet.
Lithium-Ionen-Akkus erzeugen beim Betrieb und Entladen viel Wärme, die ihre Leistung und Lebensdauer erheblich beeinträchtigt. Die optimale Betriebstemperatur liegt zwischen 0 und 50 °C, idealerweise zwischen 20 und 40 °C. Temperaturen über 50 °C verkürzen die Lebensdauer des Akkus, und bei über 80 °C besteht Explosionsgefahr.
Diese Arbeit konzentriert sich auf das Wärmemanagement von Batterien und fasst die Kühl- und Wärmeabfuhrtechnologien für Lithium-Ionen-Batterien im Betriebszustand zusammen. Dabei werden verschiedene in- und ausländische Methoden und Technologien zur Wärmeabfuhr integriert. Mit Fokus auf Luft-, Flüssigkeits- und Phasenwechselkühlung werden der aktuelle Stand der Batteriekühlungstechnologie sowie bestehende technische Herausforderungen analysiert und zukünftige Forschungsthemen zum Wärmemanagement von Batterien vorgeschlagen.
Luftkühlung
Die Luftkühlung dient dazu, die Batterie in der Arbeitsumgebung zu halten und Wärme über die Luft auszutauschen, hauptsächlich durch Zwangsluftkühlung.PTC-LufterhitzerLuftkühlung ist eine Möglichkeit, Akkus zu kühlen, beispielsweise durch Luft oder Wind. Zu ihren Vorteilen zählen niedrige Kosten, breite Anwendbarkeit und hohe Sicherheit. Allerdings weist die Luftkühlung bei Lithium-Ionen-Akkus eine geringe Wärmeübertragungseffizienz auf und neigt zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung. Aufgrund ihrer geringen spezifischen Wärmekapazität ist die Luftkühlung zudem begrenzt und muss daher mit anderen Kühlmethoden kombiniert werden. Die Kühlwirkung der Luftkühlung hängt maßgeblich von der Anordnung der Akkus und der Kontaktfläche zwischen Luftkanal und Akku ab. Ein paralleles, luftgekühltes Akku-Wärmemanagementsystem verbessert die Kühleffizienz durch eine optimierte Anordnung der Akkus im System.
Flüssigkeitskühlung
Der Einfluss der Anzahl der Kanäle und der Strömungsgeschwindigkeit auf den Kühleffekt
Flüssigkeitskühlung (PTC-KühlmittelerhitzerFlüssigkeitskühlung wird aufgrund ihrer guten Wärmeabfuhrleistung und der Fähigkeit, eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Batterie zu gewährleisten, häufig zur Wärmeabfuhr von Autobatterien eingesetzt. Im Vergleich zur Luftkühlung bietet die Flüssigkeitskühlung eine bessere Wärmeübertragung. Die Wärmeabfuhr erfolgt durch das Umströmen des Kühlmediums in Kanälen um die Batterie oder durch das Eintauchen der Batterie in das Kühlmedium. Flüssigkeitskühlung bietet viele Vorteile hinsichtlich Kühlleistung und Energieverbrauch und hat sich zum Standardverfahren im Batterie-Wärmemanagement entwickelt. Aktuell wird die Flüssigkeitskühlungstechnologie in Fahrzeugen wie dem Audi A3 und dem Tesla Model S eingesetzt. Die Wirkung der Flüssigkeitskühlung wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter die Form und das Material der Kühlrohre, das Kühlmedium, die Durchflussrate und der Druckabfall am Auslass. Unter Berücksichtigung der Anzahl und des Längen-Durchmesser-Verhältnisses der Kanäle wurde der Einfluss dieser Strukturparameter auf die Kühlleistung des Systems bei einer Entladerate von 2 C durch Variation der Anordnung der Kanaleinlässe untersucht. Mit zunehmendem Höhenverhältnis sinkt die maximale Temperatur des Lithium-Ionen-Akkus, aber die Anzahl der Läufer erhöht sich bis zu einem gewissen Grad, und der Temperaturabfall der Batterie wird ebenfalls geringer.
Veröffentlichungsdatum: 07.04.2023
