Das Kühlen und Heizen elektrischer Bauteile ist ausschlaggebend für eine lange Lebensdauer und einwandfreie Funktion. Besonders gilt diese Anforderung für die Batteriepacks von BEVs, die enorme Leistungsdichten aufweisen. Voraussetzung für deren einwandfreie Funktion ist ein angemessenes Temperaturmanagementsystem, an das hohe Anforderungen gestellt werden: Zu hohe Batterietemperaturen können zu Kapazitätsverlusten und in Extremfällen sogar zu thermischem Durchgehen führen. Zu geringe Temperaturen beeinträchtigen Effizienz und Kapazität der Batterie, erhöhen den Widerstand und begünstigen das Entstehen von Lithium-Dendriten (Lithiumabscheidungen), welche die Lebensdauer der Batterie verkürzen und letztlich zum Ausfall der Batteriezelle führen.
Mittels Temperaturmanagement sollen sowohl für den Betrieb als auch für die Sicherheit optimale Temperaturen garantiert werden. Die Tatsache, dass die für Batteriesysteme optimale Temperaturen je nach Betriebsart unterschiedlich sein können, macht das Unterfangen umso komplexer. So benötigt man beim Schnellladeprozess eine andere Temperatur(wärmer als normal) als beim Fahren oder Parken (kühler als normal).
Die verschiedenen Kühlsysteme im Detail
Luftgekühlte Systeme
Die lufgekühlten Systeme werden am häufigsten eingesetzt. Durch den einfachen Aufbau sind sie kostengünstig und es kann zu keinen Leckage-Problemen kommen. Möglich sind entweder aktive, erzwungene Konvektion oder passive Luftkühlung unter Anwendung natürlicher Konvektion. Luftkühlung ist im Falle von Elektrofahrzeugen der nächsten Generation, die größere Batterien besitzen und extrem schnell geladen werden können, aufgrund der geringen Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit der Luft im Vergleich zu Flüssigmedien möglicherweise nicht die beste Wahl.
Indirekte Flüssigkeitskühlung
Flüssige Kühlmedien besitzen höhere Wärmekapazitäten und Wärmeleitfähigkeiten als Luft. Wegen ihrer guten Temperaturverteilung kommt im Batterietemperaturmanagement derzeit am häufigsten die indirekte Flüssigkeitskühlung zum Einsatz, wobei meist eine Mischung aus Wasser und Ethylenglykol als Kühlmittel dient. Bei indirekter Kühlung fließt das Kühlmedium durch Kanäle unterhalb oder seitlich der Batteriezelle bzw. des Batteriemoduls und führt dadurch Wärme aus dem System ab. Die einzelnen Batteriezellen kommen so mit dem Kühlmedium nicht in Kontakt.
Die Kühlwirkung lässt sich mit sogenannten Wärmeleitmaterialien optimieren, die die Wärme aus der Zelle in den Kühlkanal einleiten. Ein Nachteil der indirekten Flüssigkeitskühlung besteht darin, dass ihr Systemaufbau im Vergleich zur Luftkühlung komplexer ist. Angesichts der höheren Anzahl von Bauteilen wie Kühlmittelpumpen, Sensoren und des Kanal-/Rohrleitungssystems nehmen sowohl die Anfälligkeit für Systemausfälle und Undichtigkeiten als auch das Gewicht zu.
Direkte Flüssigkeitskühlung / Immersionskühlung
Ein neueres Kühlverfahren ist die direkte Flüssigkeitskühlung oder Immersionskühlung. Hier wird die Batterie vollständig in eine dielektrische Flüssigkeit ohne elektrische Leitfähigkeit eingetaucht, die eine hohe Durchschlagfestigkeit besitzt. Der technische Fortschritt auf diesem Gebiet führte zu einer erheblichen Vereinfachung der Prozess- und Komponentenentwicklung, zur Verringerung von Gewicht und Volumen des Systems und zu einer signifikanten Verbesserung von Stabilität und Gleichmäßigkeit der Temperaturregelung. Dank des vollständigen Eintauchens kann die Batterie ganz ohne Wärmetauscher beheizt oder gekühlt werden, was wiederum zu hohen Wirkungsgraden führt.
Obwohl die Immersionskühlung für Elektrofahrzeug-Batterien noch in den Kinderschuhen steckt, gibt es bereits erste Anwendungsfälle. Zu diesen zählen unter anderem das patentierte, vollständig untergetauchte Batteriezellensystem von Faraday Future, die Immersionskühlungstechnologie im Rallye Dakar Audi RS Q e-tron oder das von Panasonic- und Tesla-Routiniers entwickelte Immersio-System von Xing Mobility. Es zeichnet sich damit ab, dass sich das Batteriepack mit Immersionskühlung sich künftig durchsetzen könnte – wie es um dessen Reparaturfähigkeit im Aftermarket steht, wird sich zeigen.
Autor: Dr. Jakub Kadlcak, Head of Material Development Mobility and General Industry, Dätwyler Redaktionelle Bearbeitung: Simon Bäumer
