Es besteht kein Zweifel, dass die Temperatur einen entscheidenden Einfluss auf Leistung, Lebensdauer und Sicherheit von Akkumulatoren hat. Im Allgemeinen erwarten wir, dass das Akkusystem im Bereich von 15–35 °C arbeitet, um die optimale Leistungsabgabe und -aufnahme, die maximal verfügbare Energie und die längste Zyklenlebensdauer zu erreichen (obwohl die Lagerung bei niedrigen Temperaturen die kalendarische Lebensdauer des Akkus verlängern kann, ist sie in der Praxis wenig sinnvoll; Akkumulatoren verhalten sich in dieser Hinsicht ähnlich wie Menschen).
Das Wärmemanagement von Antriebsbatteriesystemen lässt sich derzeit in vier Hauptkategorien unterteilen: natürliche Kühlung, Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Direktkühlung. Natürliche Kühlung ist ein passives Wärmemanagementverfahren, während Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung und Direktkühlung aktiv sind. Der Hauptunterschied zwischen diesen drei Verfahren liegt im verwendeten Wärmeaustauschmedium.
• Natürliche Kühlung
Die freie Kühlung kommt ohne zusätzliche Wärmeaustauschvorrichtungen aus. BYD nutzt beispielsweise bei den Modellen Qin, Tang, Song, E6, Tengshi und anderen mit LFP-Zellen die natürliche Kühlung. Es wird davon ausgegangen, dass BYD bei zukünftigen Modellen mit ternären Akkus auf Flüssigkeitskühlung umsteigen wird.
• Luftkühlung (PTC-Lufterhitzer)
Die Luftkühlung nutzt Luft als Wärmeträger. Es gibt zwei gängige Arten. Die erste ist die passive Luftkühlung, bei der die Wärme direkt von außen abgegeben wird. Die zweite ist die aktive Luftkühlung, bei der die Außenluft vor dem Eintritt in das Batteriesystem vorgewärmt oder vorgekühlt wird. In der Anfangszeit verwendeten viele japanische und koreanische Elektrofahrzeuge luftgekühlte Lösungen.
• Flüssigkeitskühlung
Bei der Flüssigkeitskühlung wird Frostschutzmittel (wie beispielsweise Ethylenglykol) als Wärmeträgermedium verwendet. In der Regel gibt es mehrere verschiedene Wärmetauscherkreisläufe in der Lösung. VOLT verfügt beispielsweise über einen Kühlkreislauf, einen Klimaanlagenkreislauf (PTC Klimaanlage), und eine PTC-Schaltung (PTC-KühlmittelvorwärmerDas Batteriemanagementsystem reagiert auf die jeweilige Wärmemanagementstrategie, passt seine Funktionen an und schaltet entsprechend um. Das Tesla Model S verfügt über einen in Reihe mit der Motorkühlung geschalteten Stromkreis. Muss die Batterie bei niedrigen Temperaturen erwärmt werden, ist der Motorkühlkreis in Reihe mit dem Batteriekühlkreis geschaltet, sodass der Motor die Batterie erwärmen kann. Bei hohen Batterietemperaturen werden Motor- und Batteriekühlkreis parallel geschaltet, und die beiden Kühlsysteme führen die Wärme unabhängig voneinander ab.
1. Gaskondensator
2. Sekundärkondensator
3. Sekundärkondensatorlüfter
4. Gaskondensatorlüfter
5. Klimaanlagen-Drucksensor (Hochdruckseite)
6. Klimaanlagen-Temperatursensor (Hochdruckseite)
7. Elektronischer Klimaanlagenkompressor
8. Klimaanlagen-Drucksensor (Niederdruckseite)
9. Klimaanlagen-Temperatursensor (Niederdruckseite)
10. Expansionsventil (Kühler)
11. Expansionsventil (Verdampfer)
• Direkte Kühlung
Die Direktkühlung nutzt ein Kältemittel (Phasenwechselmaterial) als Wärmeaustauschmedium. Das Kältemittel kann während des Phasenübergangs von gasförmig zu flüssig große Wärmemengen aufnehmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Kältemitteln lässt sich die Wärmeübertragungseffizienz um mehr als das Dreifache steigern, und die Batterie kann schneller geladen werden. Die Wärme im System wird abgeführt. Das Direktkühlungssystem kommt beispielsweise im BMW i3 zum Einsatz.
Neben der Kühlleistung muss das Wärmemanagement des Batteriesystems die Temperaturhomogenität aller Zellen berücksichtigen. Ein Akkupack besteht aus Hunderten von Zellen, und der Temperatursensor kann nicht jede einzelne Zelle erfassen. Beispielsweise befinden sich in einem Modul des Tesla Model S 444 Zellen, aber es sind nur zwei Temperaturmesspunkte vorhanden. Daher ist es notwendig, durch ein durchdachtes Wärmemanagement eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten. Eine gute Temperaturhomogenität ist wiederum Voraussetzung für gleichbleibende Leistungsparameter wie Batterieleistung, Lebensdauer und Ladezustand (SOC).
Veröffentlichungsdatum: 28. April 2024
