Die Bedeutung von Elektrofahrzeugen im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen zeigt sich vor allem in folgenden Aspekten: Erstens muss ein thermisches Durchgehen verhindert werden. Ursachen hierfür sind mechanische und elektrische (z. B. Batterieüberdruck, -beschädigung) sowie elektrochemische (z. B. Überladung und Tiefentladung, Schnellladung, Laden bei niedrigen Temperaturen, selbstinduzierter Kurzschluss). Ein thermisches Durchgehen kann zum Brand oder sogar zur Explosion der Antriebsbatterie führen und somit die Sicherheit der Fahrzeuginsassen gefährden. Zweitens liegt die optimale Betriebstemperatur der Antriebsbatterie zwischen 10 und 30 °C. Ein präzises Wärmemanagement gewährleistet die Lebensdauer der Batterie und verlängert somit die Gesamtlebensdauer des Elektrofahrzeugs. Drittens verfügen Elektrofahrzeuge im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nicht über die Energiequelle für Klimaanlagenkompressoren und können die Abwärme des Motors nicht zur Beheizung des Innenraums nutzen. Sie sind ausschließlich auf elektrische Energie zur Wärmeregulierung angewiesen, was die Reichweite des Elektrofahrzeugs erheblich reduziert. Daher ist das Wärmemanagement von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben zum Schlüssel für die Bewältigung der damit verbundenen Einschränkungen geworden.
Der Bedarf an Wärmemanagement für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben ist deutlich höher als der für Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Beim Wärmemanagement in Fahrzeugen geht es darum, die Wärme des gesamten Fahrzeugs und der Umgebung zu kontrollieren, alle Komponenten im optimalen Temperaturbereich zu halten und gleichzeitig die Sicherheit und den Fahrkomfort zu gewährleisten. Das Wärmemanagementsystem von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben umfasst im Wesentlichen die Klimaanlage und das Batterie-Wärmemanagementsystem.Heizung/KlimaanlageIm Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen verfügt das Thermomanagement von Elektrofahrzeugen über zusätzliche Module für die elektronische Steuerung von Batterie und Motor. Das traditionelle Thermomanagement von Kraftfahrzeugen umfasst hauptsächlich die Kühlung von Motor und Getriebe sowie das Thermomanagement der Klimaanlage. Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor nutzen Kältemittel zur Kühlung des Fahrgastraums, heizen diesen mit der Abwärme des Motors und kühlen Motor und Getriebe durch Flüssigkeits- oder Luftkühlung. Ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen Fahrzeugen liegt in der Energiequelle. Elektrofahrzeuge besitzen keinen eigenen Verbrennungsmotor, die Heizung erfolgt über PTC- oder Wärmepumpen-Klimaanlagen. Da Elektrofahrzeuge zusätzliche Kühlanforderungen für Batterie und Motorsteuerung stellen, ist ihr Thermomanagement komplexer als das von herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.
Die Komplexität des Wärmemanagements von Elektrofahrzeugen hat den Wert eines einzelnen Fahrzeugs im Hinblick auf das Wärmemanagement erhöht. Der Wert eines einzelnen Fahrzeugs mit einem Wärmemanagementsystem ist 2-3 Mal so hoch wie der eines herkömmlichen Autos. Im Vergleich zu herkömmlichen Autos resultiert die Wertsteigerung von Elektrofahrzeugen hauptsächlich aus der Flüssigkeitskühlung der Batterien und Wärmepumpen-Klimaanlagen.PTC-Kühlmittelerhitzer, usw.
Die Flüssigkeitskühlung hat die Luftkühlung als gängigste Temperaturregelungstechnologie abgelöst, und es wird erwartet, dass die Direktkühlung technologische Durchbrüche erzielen wird.
Die vier gängigen Methoden zur Batteriekühlung sind Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung, Kühlung mit Phasenwechselmaterialien und Direktkühlung. Luftkühlung wurde vorwiegend in frühen Modellen eingesetzt, während Flüssigkeitskühlung aufgrund ihrer gleichmäßigen Kühlung zunehmend zum Standard geworden ist. Aufgrund der hohen Kosten findet Flüssigkeitskühlung hauptsächlich in High-End-Modellen Verwendung und dürfte zukünftig auch in günstigeren Modellen Einzug halten.
LuftkühlungPTC-LufterhitzerLuftkühlung ist eine Kühlmethode, bei der Luft als Wärmeträgermedium dient und die Wärme der Batterie direkt über einen Lüfter abführt. Für eine optimale Luftkühlung ist es wichtig, den Abstand zwischen den Kühlkörpern und zwischen den Batterien so groß wie möglich zu halten. Dabei können Reihen- oder Parallelschaltungen verwendet werden. Da die Parallelschaltung eine gleichmäßige Wärmeableitung ermöglicht, wird sie in den meisten modernen Luftkühlungssystemen eingesetzt.
Die Flüssigkeitskühlung nutzt den Wärmeaustausch durch Konvektion, um die von der Batterie erzeugte Wärme abzuführen und deren Temperatur zu senken. Das flüssige Medium zeichnet sich durch einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten, eine hohe Wärmekapazität und eine schnelle Kühlleistung aus. Dies trägt maßgeblich zur Reduzierung der Maximaltemperatur und zur Verbesserung der Temperaturverteilung im Akkupack bei. Gleichzeitig ist das Volumen des Wärmemanagementsystems relativ gering. Bei Anzeichen eines thermischen Durchgehens kann die Flüssigkeitskühlung durch einen hohen Kühlmittelstrom die Wärmeabfuhr im Akkupack beschleunigen und eine Wärmeverteilung zwischen den Batteriemodulen erreichen. Dadurch lässt sich die fortschreitende Verschlechterung des thermischen Durchgehens schnell unterdrücken und das Risiko eines solchen Durchgehens reduzieren. Das Flüssigkeitskühlsystem ist flexibel einsetzbar: Die Batteriezellen oder -module können in die Flüssigkeit eingetaucht werden, Kühlkanäle können zwischen den Batteriemodulen angeordnet oder eine Kühlplatte am Boden der Batterie verwendet werden. Die Flüssigkeitskühlung stellt hohe Anforderungen an die Luftdichtheit des Systems. Die Kühlung mit Phasenwechselmaterialien beschreibt den Prozess der Zustandsänderung eines Materials und die Bereitstellung von latenter Wärme, ohne die Temperatur oder die physikalischen Eigenschaften zu verändern. Dieser Prozess absorbiert oder gibt eine große Menge latenter Wärme ab, um die Batterie zu kühlen. Nach dem vollständigen Phasenwechsel des Phasenwechselmaterials kann die Wärme der Batterie jedoch nicht mehr effektiv abgeführt werden.
Bei der direkten Kühlung (Kältemittel-Direktkühlung) wird das Prinzip der Verdampfungswärme von Kältemitteln (R134a usw.) genutzt, um eine Klimaanlage im Fahrzeug oder Batteriesystem einzurichten. Dabei wird der Verdampfer der Klimaanlage im Batteriesystem installiert, und das Kältemittel im Verdampfer verdampft und führt die Wärme des Batteriesystems schnell und effizient ab, um so die Kühlung des Batteriesystems zu gewährleisten.
Veröffentlichungsdatum: 25. Juni 2024
